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你有没有想过,苹果下落时会受到量子引力?

来源:中科院物理所

我们问了四位物理学家,为什么引力在各种力中显得那么独特。从四位物理学家那里,得到了四个不同的答案。

物理学家仍然在思考,苹果为什么会落下?

物理学家们已经将自然界四种力中的三种:电磁力、强核力和弱核力对应到其量子粒子的起源,但第四种力:引力,却跟其他的三种不同。

一个世纪前,阿尔伯特·爱因斯坦建立了沿用至今的万有引力的框架,它告诉我们苹果从树上掉下来以及行星围绕恒星运行都是由于他们在时空连续体中沿曲线运行,这些曲线就是引力曲线。爱因斯坦认为,引力是时空介质的一个特征,自然界的其他力在这个阶段中发挥作用。

但是在黑洞的中心附近或者是宇宙的开端,爱因斯坦的方程失效了。为了精确描述这些极端情况,物理学家们需要一个更真实的引力图像,它在除极端之外的情况下也必须跟爱因斯坦方程一样准确。

物理学家认为,就像其他的三种力一样,在这个更真实的理论中,引力必须有量子形式。早在20世纪30年代,研究人员就一直在寻找引力的量子理论。他们已经发现了一些可能的想法,特别是弦论——弦论认为引力和其他的现象都是由弦的微小振动产生的,但目前为止,这些都还是猜测且并没有被完全理解。也许,寻找一个有效的量子理论是当今物理学中的最崇高的目标。

是什么使得引力如此独特?

发现这第四种具有潜在量子属性的力与之前有什么不同?

我们询问了四位不同的量子引力研究者,得到了四份答案。

引力孕育奇点

伦敦帝国理工学院的理论物理学家克劳迪娅·德拉姆曾研究过质量引力理论,该理论假设,引力的量子单元是具有质量的粒子。

爱因斯坦的广义相对论正确地描述了引力在近30个数量级上的行为:从亚毫米尺度一直到宇宙距离。没有任何一种其他的力可以在如此宽广的尺度范围内具有如此精度。实验和观测的一致性达到了如此高的水平,广义相对论似乎可以提供引力的终极描述。然而,广义相对论的令人惊讶之处在于它预言了自己的衰落。

广义相对论预言了黑洞和宇宙起源之时的大爆炸。然而,这些地方的“奇点”,即时空曲率无限大的神秘点,却充当了广义相对论崩溃的信号旗。随着人们接近黑洞中心的奇点或大爆炸奇点时,广义相对论的预测就不再正确,此时,应该有对空间和时间的更基本、更底层的描述。如果我们能揭开这一新的物理层,或许我们能够对空间和时间本身有一个新的认识。

如果引力是自然界中任何其他的一种力,我们可以通过能量更高、距离更小的实验来对其进行深入探测。但是引力与普通力不同,当试着揭开其本质,将实验聚焦于某一个点上时,实验装置本身就会坍缩为一个黑洞。

引力导致黑洞

麻省理工学院的量子引力理论家丹尼尔·哈洛因将量子信息论应用于引力和黑洞的研究而闻名。

引力和量子力学难以结合的原因是:黑洞。黑洞只能是引力的结果,因为引力是所有物质都可以感受到的唯一力。如果有任何一种粒子没有引力,那么就可以利用这种粒子从黑洞内部发送信息,那么黑洞实际上就不会是黑色的了。

所有物质都能受到引力作用的事实限制了很多实验的进行:无论你建造的是什么设备,由什么制成,它都不能太重,否则其必将在引力的作用下坍塌为一个黑洞。这个约束在日常中无关紧要,但是如果想尝试构建一个实验来测量引力的量子力学特性,则它变得至关重要。

我们对自然界其他力的理解是建立在定域性原理的基础上的,定域性原理认为,描述空间每一点上发生的事情的变量——比如那里的电场强度——都可以独立地改变。此外,这些变量,我们称之为“自由度”,只能直接影响他们的近邻。定域性对于我们目前描述粒子及其相互作用的方式很重要,因为它保留了因果关系。比如说,如果马萨诸塞州剑桥市的自由度取决于旧金山的自由度,我们或许可以利用这种依赖性,实现两个城市之间的即时沟通,甚至向过去发送信息,从而可能违反因果关系。

定域性假设在一般情况下得到了很好的验证,并且可以推测它能够扩展到与量子引力相关的非常短的距离内(这些距离很小,因为引力比其他力弱得多)。为了确认这些短距离尺度上的定域性,我们需要建立一个测试装置,这个装置能够测出在距离如此近时,自由度是否独立。然而,一个简单的计算表明,就算是一个只在其位置上避免量子涨落的装备,也会由于太重而坍塌成黑洞!因此,在这个尺度上满足定域性是不可能的。因此,在这个长度尺度上,量子引力不需要遵守定域性。

事实上,迄今为止,我们对黑洞的理解表明,任何量子引力理论的自由度的数量,都应该大大低于我们根据其他力的经验所预期的自由度。这一思想被编入“全息原理”中,粗略地说,空间区域的自由度与其表面积成正比,而不是体积。

引力无中生有

新泽西州普林斯顿高级研究所的量子引力理论家胡安·马尔达塞纳,他最著名的成就是发现了引力和量子力学之间类似全息图的关系。

粒子可以展示很多有趣和令人惊讶的现象。粒子可以自发地产生,相距很远的粒子之间会有纠缠,存在多个位置的叠加粒子。

在量子引力中,时空本身以新颖的方式表现。我们不创造粒子,而是创造宇宙。纠缠被认为在遥远的时空区域之间建立联系,不同时空的宇宙可以有叠加态。

此外,从粒子物理学的角度来看,空间的真空是一个复杂的对象。我们可以想象许多称为场的实体,它们相互叠加并延伸到整个空间。每个场的值在短距离内不断波动,从这些波动的场及其相互作用中,真空出现。在这种真空状态下,粒子被看作是干扰,我们可以将它们描述为真空结构中的小缺陷。

当我们考虑引力时,我们发现宇宙的膨胀似乎会从虚无中产生更多的真空物质。当时空被创造出来时,它恰好与没有任何缺陷的真空相对应。我们需要回答真空是如何出现的问题,从而获得对黑洞和宇宙学的同样的量子描述。在这两种情况下,都存在一种时空拉伸,导致产生更多的真空物质。

引力不能被计算

里海大学理论物理学家塞拉·克雷莫尼尼从事弦理论、量子引力和宇宙学研究。

有很多原因可以解释引力是特别的。集中在一个方面来谈的话,爱因斯坦广义相对论的量子版本是“不可重整化的”,这对高能的引力行为有很大影响。

在量子理论中,当你试图计算高能粒子之间的散射和相互作用时,就会出现无穷项。在可重整化的理论中(包括除引力以外的所有自然力的理论),我们可以通过适当地加上其他量,即所谓的反项,以严格的方式消除这些无穷大。这一重整化过程可产生物理上与实验相符合的答案,具有非常高的准确性。

广义相对论量子版的问题在于,描述高能引力子相互作用的计算——量子化引力单位——将有无限多个无限项。你需要在一个永无止境的过程中添加无限多的反条件,重整化将失败。正因为如此,爱因斯坦广义相对论的量子版本并不能很好地描述高能下的引力,中间必然缺少了引力的一些关键特征和成分。

然而,在低能条件下,我们仍然可以用标准量子技术对引力有一个非常好的近似描述,这些技术可以用于自然界中的其他相互作用。很重要的一点是,这种对引力的近似描述将在某个能量尺度下失效,或者说是在某个长度以下失效。

在这个能量尺度下,或者在相关的长度尺度下,我们期望找到新的自由度和新的对称性。为了准确地捕捉这些特征,我们需要一个新的理论框架。这正是弦理论或一些其他推论的来源:根据弦理论,在很短的距离内,我们会看到引力子和其他粒子是扩展的物体,称为弦。研究这种可能性可以给我们提供有关引力量子行为的宝贵经验。

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