一个全新的统一理论
2023-12-29 21:59

一个全新的统一理论

本文来自微信公众号:原理 (ID:principia1687),作者:小雨,题图来自:视觉中国

文章摘要
物理学家提出了一个混合理论,将引力视为一个经典理论,并通过概率机制使其与量子理论耦合。这一理论为统一量子理论和广义相对论提供了新的思路。

• 🌌 将引力量子化或将量子物质融入经典引力的框架一直是物理学家的梦想。

• 🤔 引力场是否是经典的或量子的一直存在争议,这一混合理论可以解决这一问题。

• ⚛️ 提出的现代版“卡文迪什实验”可以通过测量引力强度来验证引力是经典的还是量子的。

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。


参考来源:

https://www.ucl.ac.uk/news/2023/dec/new-theory-seeks-unite-einsteins-gravity-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/the-physicist-who-bets-that-gravity-cant-be-quantized-20230710/


本文来自微信公众号:原理 (ID:principia1687),作者:小雨

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