量子引力需要的是更多的实验

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 量子引力需要的是更多的实验 译/晨飞 中国论文网 /8/view-12947354.htm 20 世纪 90 年代中叶，我学了数 学。我的确不能肯定这一辈子想干什么， 但是数学描述自然世界的能力让我惊叹 不已。学了微分几何和李氏代数之后， 我参加了数学系组织的一个系列研讨， 讨论基础物理学里最大的问题：如何把 引力量子化，然后将所有自然力统一在 一个理论框架之下。该系列讨论聚焦于 宾夕法尼亚州立大学阿贝阿西提卡倡 导的新方法。这样的讨论我以前没有参 加过，所以给我的印象是问题已经得到 解决，只是消息还没有传开而已。 在这团星云的深处是一个 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 快速旋转的中子星， 它的名字叫 PSR B150958，缺乏任何启发性。中子 星产生规则的射电脉冲，这种射电脉冲 可以各种不同的方式来寻找引力的量 子效应。 这次研讨好像显然是纯粹思想的 一次胜利。比如说，数学上的一致性要 求引导人们发现了希格斯玻色子。如果 没有希格斯，粒子物理的标准模型就不 会对粒子发生作用，粒子的碰撞发生在 1 万亿电子伏特的能量水平，完全在大 型强子对撞机的能标范围之内。概率不 再会增加到 100%，在数学上不会有什 么意义。因此，能量一旦被超越，应该 会出现新的东西。物理学家能够想到的 最简单的可能性就是希格斯粒子，果不 其然他们发现了。 20 世o 二三十年代，爱因斯坦 的狭义相对论与量子力学在数学上的不 一致产生了量子场论，又在此基础上建 立了标准模型。狭义相对论和牛顿引力 在数学上的矛盾产生了广义相对论，这 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 是当前最先进的引力论。现在，物理学 家要解决的就是标准模型与广义相对论 之间的矛盾。当然，我们期待以量子引 力论的形式解决这个矛盾，跟早期的情 况同样具有启示性。 最有希望的想法来自一个完全没 有预期的方向。 随着时间的推移，我了解到其他 研究人员也开始运用其他方法进行研究， 相信他们已经接近于找到问题的答案。 弦理论、圈量子引力、因果动力三角、 渐进安全引力、因果集，这些研究项目 的实践者也都确信他们能够运用数学模 型揭秘自然。他们之所以出现差异，不 是因为数学推导中出现了错误，而是因 为他们假设的出发点不同。数学是一种 演绎工具，但是数学上的结论与其假设 差不多，没有优劣之分。逻辑不足以用 来确定物理理论，唯一的办法是找出哪 个理论描述了实验性检验的性质。 可是，采用不同方法的人彼此之 间几乎从来都不交流，即使交流，意见 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 也不一致。而且为什么要一致呢？在缺 乏实验证据的情况下，没有必须一致的 道理。所以，数学就堆成了堆，文章写 了成千上万篇，会议开了成百上千次。 可是，没有哪一种方法能够拿出一个明 确的方案，几十年过去了还是没有成功， 寻找量子引力被怀疑的阴云笼罩。 20 世纪 90 年代学术界出现过自 相矛盾的情况，几乎没有人再去探讨如 何发现量子引力的观察证据这样做 被认为是不可能的。量子引力效应极其 微弱，物理学家对探测到潜在的引力粒 子引力子的概率进行了评估， 发现即使将木星大小的探测器送到围绕 一个中子星的环绕轨 道，发现的可能性仍然很小。 可是，直接探测到引力子难道是 找到量子引力证据的唯一办法吗？这个 问题一直萦绕在我的脑海。20 世纪 90 年代后期，我转而研究物理学。研究量 子引力的多数物理学家仍然相信他们的 数学最终会找到出路。我没有那种信心。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 可是我也没有过分悲观，我不认为量子 引力无法通过实验进行研究。恰恰相反， 我还是愿意相信在我的有生之年，通过 实验对引力量子化会成功的。 今天，搜寻量子引力实验证据的 人面临一个独特的研究难题：我们既没 有理论也没有数据！可是，即便没有一 个普遍认可的量子引力理论，我们仍然 能够调查各种候选理论里预期的量子引 力的一般属性。 比如说，有些理论认为，时空是 不连续的。如果是这样的话，那就有缺 陷，就像晶体有缺陷一样，这些缺陷能 改变光的轨迹，将遥远处类星体的图像 模糊化。有些理论提出，时空是一种基 质或流体，如果是这样的话，就连真空 都会有物质属性，比如黏度（像蜜那样 拖动自己）或扩散性（使光色分离） 。 有些理论预测了广义相对论中受到推崇 的违反对称，有些理论预言时空的量子 波动能扰乱敏感的量子体系。我们可以 搜寻所有这些。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 如果整个地球都会发生那样的事， 那么从树上掉落的苹果就会同时有两个 方向。 大家已经知道我们还什么也没找 到，否则就已经有所风闻了。但即使结 果是零，对理论的发展也是有价值的指 导。这些零结果能够让我们学到一些观 念，比如说，时空可能是个规则的架构， 根本没法观察。 当然，如果有现实的信号那就会 更令人激动。近年来，我们能够识别几 种达到那个目标的新现象。以原始引力 波为例。早期宇宙里的这些小小的时空 波动应当在宇宙微波背景辐射中留下了 清晰的印记。2014 年，BICEP2 协作项 目宣称测量到了那个印记，虽然后来证 明有误，但是这并不意味着太空中没有 引力波，只意味着人们会花更大气力去 寻找。引力波的量子属性将指导我们建 造我们的模型。亚利桑那州立大学的劳 伦斯克劳斯和麻省理工学院的弗兰克 维尔切克认为，探测到原始引力波会 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 说明引力必须量子化。他们的观点过于 单纯，但是文森特文宁和欧金尼奥 比安奇各自独立着手，找到了微波背景 数据的分析结果，可以区分量子波动与 非量子波动。 位于南极的 B1CEP2 望 远镜。原始引力波是量子引力的重要线 索 然后就是黑洞。黑洞物理是量子 引力的一个重要研究课题。在很长一段 时间里，科学界一致认为量子引力效应 只有靠近黑洞中心才会有重大意义，它 标志着黑洞的边界，隐藏在事件视界背 后，因此无法从外部测量。然而，在过 去的几年里，这种认识发生了变化。比 如说，一种理论观点认为黑洞周围是一 面“火墙”，一个物质面，它会把落入的 物质全部毁灭。虽然我和一些科学家对 这个观点有疑问，但是这并非我们认为 量子引力效应会出现于事件视界的唯一 理由。 如果量子引力效应真的 出现于视野，那么观察黑洞就能够揭示 有关量子引力的信息。长岛大学的迈克 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 尔卡维奇提议寻找中子星环绕黑洞的 二进制系统。中子星发出射电波，如果 它的波束在黑洞的事件视界留下了划痕， 我们观察到的脉冲就会受到黑洞结构的 影响。圆周理论物理研究所的尼亚耶什 阿夫肖尔迪正在研究黑洞合并产生的 引力波。等到新合并的黑洞尘埃落定时， 量子效应便会出现。 但是，最有希望的想法来自一个 完全没有预期到的方向。如果引力场能 够量子化，它就能表现出特色的量子行 为，如叠加，在这种情况下，一个体系 就同时处于不同状态。 以量子行为（双狭缝实验）这个 经典模型为例：如果向屏幕发射一束电 子，屏幕上撕开两个缝，那么电子就会 形成与众不同的波形。要创造这个模式， 每个电子都得同时通过两个狭缝这 两个通道是叠加的。但是，电子有质量， 质量影响引力场。如果这个电子在量子 叠加中，那么它的场也应该在一个量子 叠加中。这是一个非常奇怪的念头。如 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 果整个地球都会发生同样的事，那么从 树上掉落的苹果就会同时体验两个不同 方向的不同引力场。这就说明量子力学 与广义相对论不能兼容，量子引力就是 场叠加的固有属性。 必须体验的科学问题。 1923 年，德国物理学家阿诺尔德 佐默菲尔德给他最优秀的学生布置了 一个专题博士论文。后来，他承认“我 不会再给我的学生出这种难度的题了”。 截至目前，谁也没有看到论文中 提出的效应，因为单个电子的引力场太 微弱，无法测量。然而，近年来，不同 的实验团队创造了更大物体的叠加，目 前最先进的大约是 1 纳克。在维也纳， 马库斯艾斯派梅尔及其团队着手研究 一个很有野心的项目，即测量小至 1 毫 克的质量的牵引力。我们距离能够测量 量子物体引力场的日子已经不远了。 贝尔法斯特王后大学的莫罗帕 泰尔诺斯特罗及其合作者正在想法精准 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 确定哪些特征能区别量子化的引力场和 非量子化的引力场。他们的方法聚焦于 一个典型的量子属性，即纠缠，确定物 体的属性相互关联。试着考虑两个物体 的引力相互作用，它们之间的相关性将 依赖于该场是否量子化。按照这种想法 去做，如果要对这些关联进行测量，你 就必须知道量子化是怎么回事。 科学要求实验校验，这已经是旧 闻了。古代许多哲学家梦想着内省足以 揭开自然之谜，不幸的是这个梦想仍然 存在于研究量子引力的理论家中。最终， 思想训练无论多么富有经验，在假说的 选择上总是归结到美学或哲学倾向。量 子引力方面的许多文献都致力用一堆堆 的数学把这些倾向埋没。 从我第一次听说量子引力已经过 了 20 年，这个领域的主流仍然依赖于 数学上的一致性。但是，像我这样研究 通过实验来检验量子引力可能性的人现 在越来越多。而且数学方法的失败越明 显，我们就越清楚唯一的出路是寻找实 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 验证据，无论多么艰难都得这么做。第 一步只是