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2019-02-25 10:36

引力理論會失效？引力理論與量子理論相沖突之謎

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年過后，人們?nèi)晕凑业浇鉀Q方案。據(jù)國外媒體報道，愛因斯坦的廣義相對論已經(jīng)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——量子理論相沖突。

問題在于，粒子都具有量子性質(zhì)。例如，它們可以同時身處兩地。這些粒子也擁有質(zhì)量，有了質(zhì)量就會有引力。但由于引力沒有量子性質(zhì)，我們無法弄清一個處于量子疊加態(tài)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(zhì)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年過后，人們?nèi)晕凑业浇鉀Q方案。主要障礙在于實驗指導的缺失。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于數(shù)學，而在數(shù)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：要么用又小又輕的物體測量量子效應，要么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(zhì)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，其實并不存在非量子化的引力。這里要說清楚一點：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(chǎn)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(fā)生后不久，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(zhì)密度極高、且存在顯著的量子行為，可以產(chǎn)生量子引力效應。但不幸的是，我們無法觀察黑洞內(nèi)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(xiàn)出量子引力行為。

要想產(chǎn)生顯著的量子引力，應該還可以通過質(zhì)心能量極高的粒子碰撞實現(xiàn)。如果有一臺足夠大的粒子對撞機（估測結(jié)果顯示，按照現(xiàn)有技術(shù)，這臺粒子對撞機需要有銀河系那么大），你就可以把足夠的能量集中在一小塊空間上、從而產(chǎn)生足夠強的時空彎曲。但這樣一臺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(chuàng)造沉重物體的量子疊加態(tài)。這會產(chǎn)生一種近似結(jié)果：物質(zhì)具有了量子效應，但引力理論（即半經(jīng)典限制）并不會失效，這樣便能體現(xiàn)引力真正的量子效應。目前有幾支實驗團隊正在嘗試實現(xiàn)這一機制，也許能借此探測到上述效應。不過他們還差著好多個數(shù)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么想做某件事、卻不去做另一件事。我們只能從理論角度猜測，這種情況也許并不是那么有趣。

前文說過，物理學家還沒有量子引力理論，但這話并不全對。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(jīng)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于發(fā)展并完善該理論。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，上述涉及到處于量子疊加態(tài)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，出于這種原因，人們幾乎沒有從上述任何一種角度出發(fā)、為這類實驗提出過理論預測。

目前該領域的大多數(shù)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(shù)人堅決表示反對，理由有如下幾條。