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一个全新的统一理论
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2023.12.31 山西

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两大理论的统一

现代物理学有两大支柱:一个是量子理论,另一个是爱因斯坦广义相对论

宇宙中的所有物质都遵循量子理论的定律,但我们只有在原子和分子的尺度上才能真正观察到量子行为。根据量子理论,粒子遵循不确定性原理,我们永远不可能同时精确知晓它们的位置和速度。事实上,在进行测量它们之前,它们甚至没有一个确切的位置或速度。此外,像电子这样的粒子可以表现得更像波,并且几乎可以同时出现在许多地方。更准确地说,物理学家将粒子描述为处于不同位置的“叠加”状态。从半导体到激光,从超导到放射性衰变,量子理论支配着一切。

另一方面,广义相对论将引力描述为时空弯曲的结果。它告诉我们,像太阳这样的大质量天体会使时空结构弯曲,从而导致地球绕其旋转。广义相对论不仅预言了黑洞的形成,也告诉了我们时间在空间的不同点以不同的速率流逝。我们今天在生活中用到的全球定位系统正是因为考虑到了这一点,才能够精确定位。

尽管这个两个理论都非常成功,但它们似乎在时空的本质上存在根本性的分歧:量子波动方程是定义在一个固定的时空上的,但广义相对论认为时空是动态的,它会根据物质的分布而呈现出弯曲。在过去的一百多年里,将这两个理论统一,是许多物理学家的梦想。

想要实现这种统一有两种策略:要么将引力量子化,要么找到一种方法将量子物质融入经典引力的框架中。物理学家普遍认为,爱因斯坦的引力理论需要被修正,或者说需要被“量子化”,以适应量子理论。弦理论圈量子引力论是量子引力理论的两种主要的候选,但目前,它们都没有被实验证实,而这也为其他的策略留下了机会。

一个混合的理论

在一篇于近期发表在《物理评论X》的研究中,物理学家Joanthan Oppenheim就提出了一个混合的理论:将引力视为一个经典理论同时,通过使用一种概率机制使它与量子理论耦合。

长期以来,学界普遍认为从逻辑上看,引力不可能是经典的。20世纪50年代,理查德·费曼(Richard Feynman)设想了一种可以阐明这个问题的情况:他的设想始于一个处于两个不同位置的叠加态的大质量粒子,这些不同的位置可以是著名的双缝实验中的两条狭缝。

在这个实验中,粒子也具有波的行为,它可以在狭缝的另一边产生明暗相间的干涉图样,从而使得我们无法知道它穿过了哪一个狭缝。人们常将粒子描述为同时穿过了两个狭缝。但由于粒子有质量,它可以产生一个能够被测量的引力场,而引力场可以透露它的位置。

如果引力场是经典的,那么我们就可以无限精确地测量它,进而推断出粒子的位置,并确定它穿过了的是哪个狭缝。如此一来,就产生了一个矛盾的情况干涉图样告诉我们,我们无法确定粒子穿过的是哪一个狭缝;但是经典的引力场则告诉我们,这是可以做到的

然而,如果引力场是量子的,就不存在这样的矛盾了——不确定性会在测量引力场时悄然出现,因此我们在确定粒子的位置时仍然存在不确定性。

但费曼的论证有一个漏洞,这个漏洞可以使“引力是经典的”也成立。目前,我们之所以能知道粒子的路径,是因为它产生了一个确定的引力场,这个引力场使时空弯曲,进而让我们得以确定粒子的位置。

但是,如果粒子和时空之间的相互作用是随机的,或者说不可预测的,那么就意味着测量引力场并不总是能确定粒子穿过了哪个狭缝,因为引力场可能处于许多状态中的一种。这种随机性的存在,可以消除这种矛盾。

Oppenheim原本是一名弦理论学家。但很快,他就对弦理论学家为解决黑洞信息悖论(现代物理学中最臭名昭著的问题之一)所做的复杂数学运算而感到不适。

根据标准量子理论,进入黑洞的物体应该以某种方式辐射出来,因为信息不能被毁灭,但这违反了广义相对论——根据广义相对论,我们永远不可能知道穿过黑洞事件视界的物体的信息。

Oppenheim和他的学生构建了一个完全相容的理论。在这个理论中,量子系统与经典时空相互作用。只需要稍微修改一下量子理论,再稍微修改一下经典的广义相对论,以允许所需可预测性的失效。而由于可预测性的失效,那么我们就永远不知道被扔进黑洞的是什么了。

现代版卡文迪什实验

那么,我们能够通过实验来解决引力是否是量子化的问题吗?

在Oppenheim的另一篇同时发表在《自然通讯》上的论文中,他与合作者提出了一个现代版本的“卡文迪什实验”——它计算了两个铅球之间的引力强度。假如引力场真如量子-经典混合理论所认为的那样是随机的,那么当我们试图测量它的强度时,就无法总是得到相同的答案。引力场会四处摇摆,任何认为引力是经典的理论,都将具有一定程度的引力噪声。

引力究竟是经典的,还是量子的,只有通过不断的探索,我们才可能接近那个梦寐以求的答案。

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