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“双重拷贝” 没有物理意义的数学过程竟然可以引出量子引力
majer @ 2021.05.09 , 00:04

在理论物理学家的眼里,物质世界分为两部分:万有引力,以及除了万有引力的一切。

原则上可以包容所有已知物理现象的标准模型,无法把引力容纳其中。

大多数理论物理学家认为,引力实际上是物质或场交换名为引力子的粒子,但用量子来重写爱因斯坦理论的尝试,结果全是一泡污。把引力纳入标准模型,实现理论上的和谐完满,是物理学界最重大的问题,也是最艰巨的问题。

然而,近年来,一种被称为 "双重拷贝"的、令人困惑的数学工具已被证明,在某些场合可以出奇地把引力的语言翻译成量子语言,如把引力子和黑洞,转化为明显更简单的量子等价物。

都柏林高级研究学院的物理学家莱隆·博斯滕说:"我们描述世界的两种语言,存在着一道隔阂,而现在似乎找到了连接两者的桥梁。”

虽然引力和量子之间这种未经证实的数学关系没有明确的物理解释,但它使物理学家能够完成几乎不可能完成的计算,并暗示四大基本力(引力、电磁力、强力和弱力)本质上为一体。

西北大学的物理学家约翰·约瑟夫·卡拉斯科说,任何花时间研究 双重副本理论 的人都会相信 "它植根于对引力不同的理解方式"。

我们用光子解释电磁作用,用胶子解释强相互作用……但引力子不同。当在引力方程里加入理论上的引力子时,秩序就崩溃了,理论体系就像是撞到了冰山的泰坦尼克号,从船体的破漏处涌出无数的无穷大。

但 双重拷贝 似乎是上帝为引力留下的暗门。

兹维·伯恩和兰斯·迪克森,以及后来的卡拉斯科和亨里克·约翰森,在2000年左右开发了这套工具,用于推进经典弦理论中的工作。在弦理论中,代表引力子的O形环就像对应于其他力的载体的一对S形弦。研究人员发现,这种关系也适用于点粒子,而不仅仅是假想的弦。

在粒子散射事件中可能发生的所有相互作用的总和中,代表每个相互作用的数学结构可分成两部分,就像数字6=2×3一样。第一部分有关力的性质;对于强力,这个术语与被称为“颜色”的属性有关。第二部分刻画粒子的运动。

为了完成 双重拷贝,首先要扔掉力的“颜色”,用运动学项取代它,把2×3变成3×3。如果6描述了强力事件的结果,那么双重拷贝 告诉我们,9与某些引力子事件相匹配。

双重拷贝 有一个致命弱点。在执行运算之前,理论家们必须把运动学项的形式写成力的属性项。但这是很困难的,甚至并不总是可能的。但是,如果运动学凑巧可以被改写,对引力的计算结果就像把2×3改为3×3一样容易。

目前看,整套数学操作并没有已知的物理意义,因为引力子并不是字面意义上的胶子对。但这是一条数学捷径,也是第一个未导致无限大的引力子理论。

如上面所说,双重拷贝 在很多场合里无法使用。伯恩、卡拉斯科和其他人多年来一直用被称为超引力的异界理论,来检验双重拷贝的威力。超引力不存在我们的宇宙中。利用 双重拷贝,他们已经完成了越来越精确的超引力计算。超引力宇宙的高对称性,使它成为引力子理论之树上最低的苹果——我们唾手可得。伯恩等人希望将计算成功扩展到更现实的理论之中。

受他们的鼓舞,爱丁堡大学的多纳尔·奥康奈尔和伦敦玛丽皇后大学的里卡多·蒙泰罗、克里斯·怀特用双重拷贝 来重新刻画宇宙中最极端的引力剧目。

黑洞。旋转的黑洞会把扭曲的时空结构拖到它们周围。这些方程超级复杂。如果你看一下旋转黑洞的方程式,"你的眼睛可能会流出血泪",奥康纳警告说。

研究人员将黑洞的扭曲时空分成两部分:平坦的时空和一个代表强烈偏离平坦的项。然后,蒙泰罗解释说,他们问自己,偏离项是否是某些东西的 双重拷贝。

它是。

该小组在2014年报告说,静止的和旋转的黑洞都像是带电粒子的双重拷贝。奥康纳说:"你把这个复杂的东西简化为令人难以置信的简单东西。”

黑洞并不是字面上的双电子对。但它们在数学上的统一性正在松动爱因斯坦的相对论对引力领域的束缚。

最近,双重拷贝的从业者已经跳入引力波天文学。这是一门新兴学科,通过时空中的引力涟漪来探测遥远的天体和天文事件。在短短几年内,伯恩和同事已经利用数学捷径预言了引力波,已经可以和广义相对论的理论预言能力相媲美。

双重拷贝 揭示了引力不为人知的、更简单的一面,但即使是那些致力于探索这种关系的理论家也想知道这种简单性从何而来。

通往完整的量子引力理论的道路是漫长而不确定的,双重拷贝 可能不会一直通向那里。但它给理论学家带来了希望,即现代物理学的两座根基是可以统一起来的。

https://www.quantamagazine.org/how-gravity-is-a-double-copy-of-other-forces-20210504/

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