引力理論會失效？引力理論與量子理論相衝突之謎

　　自上世紀30年代以來，物理學家就知道，量子引力對建立自然法則秩序來說不可或缺。但80年過後，人們仍未找到解決方案。

　　新浪科技訊 北京時間2月25日消息，據國外媒體報道，愛因斯坦的廣義相對論已經有一百多年歷史了，但仍令物理學家頭痛不已。不僅因為愛因斯坦提出的等式極難解開，還因為該理論與另一項重大的物理學成就——量子理論相衝突。

　　問題在於，粒子都具有量子性質。例如，它們可以同時身處兩地。這些粒子也擁有質量，有了質量就會有引力。但由於引力沒有量子性質，我們無法弄清一個處於量子疊加態的粒子的引力大小。為解決這一問題，物理學家需要建立起「量子引力」理論；亦或者，既然愛因斯坦提出引力其實是時空的彎曲，物理學家需要為時間和空間的量子性質建立起一套理論。

　　即便對理論物理學家這樣的高智商人群來說，這也是個非常困難的問題。自上世紀30年代以來，物理學家就知道，量子引力對建立自然法則秩序來說不可或缺。但80年過後，人們仍未找到解決方案。主要障礙在於實驗指導的缺失。量子引力極為微弱，從未被人類探測到，因此物理學家只能依賴於數學，而在數學的迷宮中又極易迷失方向。

　　人們之所以難以獲得量子引力的可觀測跡象，主要因為目前所有可能開展的實驗都不外乎兩類：要麼用又小又輕的物體測量量子效應，要麼用又大又重的物體測量引力效應。在這兩種情況下，量子引力效應都極其微弱。要想觀察到量子引力效應，就需要利用一個沉重的、但又有顯著量子性質的物體，而這種物體很難找到。

　　物理學家倒是知道幾種具有較明顯量子引力效應的天然事件，但研究起來也不容易。在能量密度很大、時空彎曲很強的情況下，其實並不存在非量子化的引力。這裡要說清楚一點：天體物理學家所謂的「強」時空彎曲，對量子引力研究者而言仍然很「弱」。黑洞尤其如此：黑洞事件視界處的時空彎曲仍不夠強，不足以產生顯著的量子引力效應。

　　物理學家認為，只有在黑洞中央和宇宙大爆炸發生後不久，時空彎曲才能強到令廣義相對論失效。在這兩種情況下，被劇烈壓縮的物質密度極高、且存在顯著的量子行為，可以產生量子引力效應。但不幸的是，我們無法觀察黑洞內部。要想通過目前的觀測重建宇宙大爆炸當時的情況，也無法表現出量子引力行為。

　　要想產生顯著的量子引力，應該還可以通過質心能量極高的粒子碰撞實現。如果有一台足夠大的粒子對撞機（估測結果顯示，按照現有技術，這台粒子對撞機需要有銀河系那麼大），你就可以把足夠的能量集中在一小塊空間上、從而產生足夠強的時空彎曲。但這樣一台對撞機可不是說造就造的。

　　除了強時空彎曲外，還有另一種引力的量子效應可以被觀測到的情況，但這種情況常被人們忽視掉：創造沉重物體的量子疊加態。這會產生一種近似結果：物質具有了量子效應，但引力理論（即半經典限制）並不會失效，這樣便能體現引力真正的量子效應。目前有幾支實驗團隊正在嘗試實現這一機制，也許能藉此探測到上述效應。不過他們還差著好多個數量級，所以離真正成功仍有一定距離。

　　為何物理學家不對這種情況做進一步研究呢？很難解釋科學家為什麼想做某件事、卻不去做另一件事。我們只能從理論角度猜測，這種情況也許並不是那麼有趣。

　　前文說過，物理學家還沒有量子引力理論，但這話並不全對。引力可以被量子化，上世紀60年代，理查德?費曼（Richard Feynman）和布萊斯?德維特（Bryce DeWitt）已經用普通的量子化方法進行了成功嘗試。但通過這種方式獲得的理論（微擾量子引力）在物理學家希望利用該理論的強彎曲機制中卻會失效（微擾不可重正性）。因此，該理論如今僅被視作一種完整量子引力理論在低能量下的近似情況（有效理論）。

　　上世紀60年代時，幾乎所有量子引力研究都著重於發展並完善該理論。其中最著名的嘗試包括弦理論、圈量子理論、漸進安全、因果動力學三角剖分等等。然而，上述涉及到處於量子疊加態的沉重物體的情況都不包括強時空彎曲，因此也被歸入了自上世紀60年代以來提出的一系列缺乏趣味、可能已得到充分理解的一類理論之中。諷刺的是，出於這種原因，人們幾乎沒有從上述任何一種角度出發、為這類實驗提出過理論預測。

　　目前該領域的大多數學者都認為，微擾量子引力一定是任何量子引力理論的低能量下限。但也有少數人堅決表示反對，理由有如下幾條。

　　第一點從哲學角度出發。反對者認為，從概念上來說，我們不大可能從一套欠基礎的理論（量子引力）中衍生出一套更基礎的理論（非量子引力），因為就定義而言，衍生出的理論應當為欠基礎理論才對。確實，楊-米爾斯理論的量子化過程簡直是一場邏輯學噩夢。你先從一套非量子理論開始，再把這套理論搞得更加複雜、以此建立另一套理論。如果你再向新理論中引入經典限制條件，你得到的新理論無論如何也無法得到正確解讀。既然如此，你一開始又為何要從這裡出發呢？

　　答案也顯而易見：我們這樣做，是因為這麼做有用；我們這樣做，是因為歷史上的意外，而不是因為這麼做從道理上說得通。對務實的物理學家來說，這麼做無可指摘。但要證明這種方法也可以應用於引力研究，還需要更令人信服的理由才行。

　　另一種反對微擾量子化的觀點認為，你不可能通過使水量子化來研究原子物理。所以，如果你認為引力並不是一種基本相互作用，而是大量微觀成分的集合行為，那麼將廣義相對論量子化就大錯特錯了。

　　持這種觀點、即認為引力只是解釋一些未知微觀成分行為的綜合理論的人，其實是沿用了一種名叫「衍生引力」（emergent gravity）的概念。該理論支持者包括泰德?雅各布森（Ted Jacobson）、薩努?帕德曼納班（Thanu Padmanabhan）、以及埃里克?韋爾蘭德（Erik Verlinde）等人，他們認為引力法則可以被改寫成類似熱力學法則的形式。該領域的專家們對這種理論的態度仍然搖擺不定，有時認為這是「有史以來最驚人的想法」，有時則又認為「有點意思，但意義不大。」

　　但無論如何，如果你認為衍生引力是解決量子引力問題的正確思路，「就我們所知的引力理論在何種情況下會失效」這個問題就變得更複雜了。它在高度時空彎曲的情況下應當仍然會失效，但除此之外，也許還存在其它與廣義相對論相背離的情況。

　　例如，韋爾蘭德認為暗物質和暗能量是量子引力的殘餘物。如果你相信這一點，那我們就已經找到量子引力存在的證據了！還有人提出，如果時空由微觀成分構成，就應當具有黏性等整體性質，或產生雙折射、光色散等通常與晶體有關的效應。

　　總結一下：該領域幾乎所有人都同意，在強時空彎曲的情況下，引力應當具有顯著的量子效應。部分量子引力理論認為，在長距離、低加速、或低能量狀態下也可能出現明顯偏離廣義相對論的情況。我們可以藉助沉重物體的量子疊加態探測量子引力效應，但這種可能性常常被人們無視。

　　希望在我們有生之年，科學家能夠找到量子引力的實驗證據。（葉子）

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