一个全新的统一理论

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一个全新的统一理论

原创 小雨 原理 2023-12-29 21:15 发表于浙江



两大理论的统一  

现代物理学有两大支柱：一个是量子理论，另一个是爱因斯坦的广义相对论。

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。弦理论和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。

#参考来源：

https://www.ucl.ac.uk/news/2023/ ... y-quantum-mechanics

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.041040

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2

https://www.quantamagazine.org/t ... quantized-20230710/

#图片来源：

封面图/首图：Isaac Young

#创作团队：

文：小雨