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这个简单的思想实验说明了我们为什么需要量子引力理论

量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论量子力学结合起来。对经典引力的量子修正被可视化为环路图,如图中白色所示。空间(或时间)本身是离散的还是连续的还没有决定,就像重力是否被量化的问题一样。

有两种理论可以解释已知宇宙中所有的粒子及其相互作用:广义相对论和粒子物理学的标准模型广义相对论完美地描述了我们所见过的任何地方的引力。从我们在实验室测量过的微小尺度的引力到由于地球、太阳、黑洞、星系或整个宇宙而导致的空间膨胀和曲率,我们的观测和测量从未偏离过我们所预测到的。标准模型同样适用于其他三种力:电磁力、强核力和弱核力。每一个实验、测量和观察都完全符合这两个理论。

听起来很棒,这两个理论就像两个国家的国王,自己管理着自己的王国,两个王国各自建设的非常好,而且它们之间也秋毫无犯。但是有一天,你邀请两个国王过来,商量建立一个统一的联合王国,结果,你发现一切太难了,除了语言障碍外,还有很多地方无法融合。

这两个国王就是相对论和标准模型,如果我们试图融合它们,一切都会崩溃。解决方案?这就是量子引力理论的产生原因

任何质量物体周围的时空曲率都是由质量和质心距离的结合决定的。其他问题,如速度、加速度和其他能量来源,都必须考虑在内。

根据爱因斯坦的引力理论,我们可以计算宇宙中任何位置的空间曲率,从地球上的这个地方到宇宙中最大的尺度。从微米级到极端环境下的天体物理尺度上,比如银河系中心,合并中子星,黑洞边缘,我们都进行了实验用来测试引力定律,甚至一些深奥的预测,如引力波的产生、参考系拖拽,或者行星轨道的进动,都完全符合我们所做过的所有预测。无论如何,爱因斯坦的理论完美地描述了现实。

粒子物理学的标准模型包含了四种力中的三种(除了重力),发现的粒子的全部组合,以及它们所有的相互作用。夸克和轻子是费米子,它们有许多其他(玻色子)粒子所没有的独特属性。

从标准模型中,我们知道了电、磁、放射性衰变和核力是如何工作的。取任意一个粒子,让它与宇宙中的其他粒子相互作用(或不相互作用),我们就会知道所有可能结果的概率分布。即使量子世界不是完全确定的,我们仍然可以用精确的数学方法成功地描述预期的结果集。如果我们成千上万次地进行同样的实验,我们将会看到结果与我们最好的量子预测相匹配,即使是奇怪和不直观的设置。

但是,如果我们特别看一个这样的实验——著名的双缝实验——我们马上就能明白为什么量子引力理论是绝对必要的。

由于托马斯·杨的双缝实验,光的波状特性得到了更好的理解,在这种实验中,建设性的和破坏性的干涉戏剧性地显现出来。自17世纪以来,这些实验因经典波而闻名,在1800年左右,杨证明了他们也适用于光。

假设你有一组量子粒子,它们可以是光子、中微子、电子或者其他任何东西。想象一下,你已经把它们设置好了,这样它们就会轰击一个很小的屏障区域,两个狭缝被切成非常近的距离,以允许这些量子粒子通过。在屏障的后面,你将设置一个屏幕,这样你就可以检测到微粒的最终归宿。这是双缝实验的经典设置。

如果你同时发射一堆粒子,它们就像一个波。粒子可能穿过一个或另一个缝隙,但它们会相互干涉。一天结束时,你会在屏幕上看到一个清晰可识别的干涉图案,就像你看到的水波穿过一组类似的裂口一样。

对光进行的双缝实验产生干涉图案,就像对任何波一样。不同颜色的光的性质是由于它们的波长不同。

你不能让你的粒子相互干扰,所以你决定一次发射一个粒子。你测量它在屏幕上的位置并记录它,然后你发射下一个粒子。你选择哪个粒子并不重要;如果我们能在屏幕上检测到它,我们就能看到同样的行为。这种干涉模式建立在“一次发射一个粒子”的情况下,但显然干涉条纹仍然出现了。不知何故,这些量子粒子似乎同时通过两个狭缝,并与自身干涉。

电子通过双缝的波型,一次一个。如果你测量“哪个狭缝”电子穿过,你就破坏了这里显示的量子干涉图样。注意,需要多个电子来揭示干涉图样。

也许你觉得自己不喜欢这种量子怪癖,所以你决定测量每一个粒子真正穿过的缝隙。你在每个缝隙周围设置一个光电探测器,并测量当粒子通过它的时候。第一个粒子穿过,你发现它通过2号狭缝;第二个到达,也经过2号狭缝;第三个穿过1号狭缝;然后是四号粒子到2号狭缝;然后是五号粒子到1号狭缝。你一遍又一遍地重复这个过程,直到发射了成千上万的粒子。当你看到屏幕上的结果图案时,你会发现非常麻烦的事情:干涉图案不见了。相反,你看到的是一堆粒子穿过1号狭缝,另一堆粒子穿过2号狭缝。他们不干涉。

如果你从狭缝处就具体测量每个电子穿过哪个裂缝,那么你就不会在它后面的屏幕上看到干涉图样。也就是说,再观察者参与下,电子不是像波一样运动,而是像经典粒子一样运动。

这是奇怪的!这种非直觉的古怪反而是量子物理学和作为强大工具的一般标准模型的核心思想。在基本的量子层面上,我们可以准确地预测什么时候有量子行为,什么时候没有,当它出现的时候会是什么样子。

对于电磁、强核力和弱核力来说,这是非常有效的。它工作得如此之好,以至于尽管它们可能很奇怪,但任何可重复的实验都能与标准模型的预测有相同的意义。然而,如果我们要问下面这个简单的问题,我们没有办法得到答案:

当一个电子穿过一个双缝时,它的引力场会怎样?

当电子穿过一个双缝时,如果引力本质上上是量子的,那么就会变现为图示上半部分那样,电子的引力也会随电子在双缝处的出现概率而表现为不同的出现概率,或者如果引力本质上不是量子的,那么就会如图示下半部分那样总是两个双缝处同时出现,它的引力场的表现完全不同。

我们无法回答这个问题的原因是我们不知道量子尺度上关于引力的大量性质。我们不知道引力是否量子化。粒子必须被量子化,但引力可能不是,如果不是,双缝实验将给出不同的结果。

我们不知道空间是从根本上是离散的(最小长度尺度)还是连续的。如果有一个最小的长度,我们的实验将会有一个基本的分辨率限制,一个我们可能在某一天在足够高的能量下遇到的。有些问题我们无法回答,在某些实验条件下,引力是如何运动的。

即使是两个合并的黑洞(宇宙中引力信号最强烈的来源之一),也不会留下可以探测量子引力的可观测特征。为此,我们必须做一些实验来探索相对论的强场机制。或者利用实验室的巧妙设置。

原则上我们知道,引力场应该围绕电子的位置,就像它对任何质量一样。但是当电子的位置本质上是不确定的时,这意味着什么呢?引力场总是主要通过一个狭缝还是另一个狭缝?观察(或不观察)的行为会改变引力场吗?如果是这样,如何改变?

电子的引力场很弱,我们不能在实践中观察它。惠勒(Wheeler)、费曼(Feynman)和德威特(DeWitt)在20世纪60年代开发的方程描述了粒子在量子重力弱场极限下的预期行为,但这些方程从未经过实验测试。这样做目前超出了我们的能力范围,但仍有希望。

这个实验装置能够测量引力场和影响到毫米级的质量,从“测量毫克质量的微小力学原理验证实验”。

有一些被提议的实验装置可以让我们比以往更精确地测量引力场:精确到毫克质量。另一方面,我们已经设法将相对较大的物体(相对于基本粒子)带入量子状态叠加:比如达到纳米克级的质量。这些状态的确切能级取决于系统的总引力能,这使得这成为一个现实的,可信的测试来确定引力是否被量化。当技术和实验技术进步到一定程度时,这两个尺度就会相交。当那一刻到来的时候,我们将能够探索量子引力机制。

一个纳米级的锇丝盘(一种稀有元素制作的纳米级盘片)的能级,以及自我引力的影响(右)或不会(左)影响这些能级的特定值。圆盘的波函数,以及它是如何受到引力的影响,可能会导致第一次实验测试重力是否真的是一个量子力。

广义相对论提出的描述——物质告诉空间如何弯曲,弯曲空间告诉物质如何移动,看来需要被增强了,以便包含一个不确定的位置,因为它有一个概率分布。引力是否量子化仍然是未知的,它与这种假设实验的结果有很大关系。确切地说,一个不确定的位置如何转化成引力场,仍然是一个尚未解决的问题。量子力学的基本原理必须是普遍的,但是这些原理如何应用于引力,尤其是通过双缝的粒子,在我们的时代是一个很大的未知数。

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