引力理论会失效？引力理论与量子理论相冲突之谜

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      北京时间2月25日消息，据国外媒体报道，爱因斯坦的广义相对论已经有一百多年历史了，但仍令物理学家头痛不已。不仅因为爱因斯坦提出的等式极难解开，还因为该理论与另一项重大的物理学成就——量子理论相冲突。

　　问题在于，粒子都具有量子性质。例如，它们可以同时身处两地。这些粒子也拥有质量，有了质量就会有引力。但由于引力没有量子性质，我们无法弄清一个处于量子叠加态的粒子的引力大小。为解决这一问题，物理学家需要建立起“量子引力”理论；亦或者，既然爱因斯坦提出引力其实是时空的弯曲，物理学家需要为时间和空间的量子性质建立起一套理论。

　　即便对理论物理学家这样的高智商人群来说，这也是个非常困难的问题。自上世纪30年代以来，物理学家就知道，量子引力对建立自然法则秩序来说不可或缺。但80年过后，人们仍未找到解决方案。主要障碍在于实验指导的缺失。量子引力极为微弱，从未被人类探测到，因此物理学家只能依赖于数学，而在数学的迷宫中又极易迷失方向。

　　人们之所以难以获得量子引力的可观测迹象，主要因为目前所有可能开展的实验都不外乎两类：要么用又小又轻的物体测量量子效应，要么用又大又重的物体测量引力效应。在这两种情况下，量子引力效应都极其微弱。要想观察到量子引力效应，就需要利用一个沉重的、但又有显著量子性质的物体，而这种物体很难找到。

　　物理学家倒是知道几种具有较明显量子引力效应的天然事件，但研究起来也不容易。在能量密度很大、时空弯曲很强的情况下，其实并不存在非量子化的引力。这里要说清楚一点：天体物理学家所谓的“强”时空弯曲，对量子引力研究者而言仍然很“弱”。黑洞尤其如此：黑洞事件视界处的时空弯曲仍不够强，不足以产生显著的量子引力效应。

　　物理学家认为，只有在黑洞中央和宇宙大爆炸发生后不久，时空弯曲才能强到令广义相对论失效。在这两种情况下，被剧烈压缩的物质密度极高、且存在显著的量子行为，可以产生量子引力效应。但不幸的是，我们无法观察黑洞内部。要想通过目前的观测重建宇宙大爆炸当时的情况，也无法表现出量子引力行为。

　　要想产生显著的量子引力，应该还可以通过质心能量极高的粒子碰撞实现。如果有一台足够大的粒子对撞机（估测结果显示，按照现有技术，这台粒子对撞机需要有银河系那么大），你就可以把足够的能量集中在一小块空间上、从而产生足够强的时空弯曲。但这样一台对撞机可不是说造就造的。

　　除了强时空弯曲外，还有另一种引力的量子效应可以被观测到的情况，但这种情况常被人们忽视掉：创造沉重物体的量子叠加态。这会产生一种近似结果：物质具有了量子效应，但引力理论（即半经典限制）并不会失效，这样便能体现引力真正的量子效应。目前有几支实验团队正在尝试实现这一机制，也许能借此探测到上述效应。不过他们还差着好多个数量级，所以离真正成功仍有一定距离。

　　为何物理学家不对这种情况做进一步研究呢？很难解释科学家为什么想做某件事、却不去做另一件事。我们只能从理论角度猜测，这种情况也许并不是那么有趣。

　　前文说过，物理学家还没有量子引力理论，但这话并不全对。引力可以被量子化，上世纪60年代，理查德•费曼（Richard Feynman）和布莱斯•德维特（Bryce DeWitt）已经用普通的量子化方法进行了成功尝试。但通过这种方式获得的理论（微扰量子引力）在物理学家希望利用该理论的强弯曲机制中却会失效（微扰不可重正性）。因此，该理论如今仅被视作一种完整量子引力理论在低能量下的近似情况（有效理论）。

　　上世纪60年代时，几乎所有量子引力研究都着重于发展并完善该理论。其中最著名的尝试包括弦理论、圈量子理论、渐进安全、因果动力学三角剖分等等。然而，上述涉及到处于量子叠加态的沉重物体的情况都不包括强时空弯曲，因此也被归入了自上世纪60年代以来提出的一系列缺乏趣味、可能已得到充分理解的一类理论之中。讽刺的是，出于这种原因，人们几乎没有从上述任何一种角度出发、为这类实验提出过理论预测。

　　目前该领域的大多数学者都认为，微扰量子引力一定是任何量子引力理论的低能量下限。但也有少数人坚决表示反对，理由有如下几条。

　　第一点从哲学角度出发。反对者认为，从概念上来说，我们不大可能从一套欠基础的理论（量子引力）中衍生出一套更基础的理论（非量子引力），因为就定义而言，衍生出的理论应当为欠基础理论才对。确实，杨-米尔斯理论的量子化过程简直是一场逻辑学噩梦。你先从一套非量子理论开始，再把这套理论搞得更加复杂、以此建立另一套理论。如果你再向新理论中引入经典限制条件，你得到的新理论无论如何也无法得到正确解读。既然如此，你一开始又为何要从这里出发呢？

　　答案也显而易见：我们这样做，是因为这么做有用；我们这样做，是因为历史上的意外，而不是因为这么做从道理上说得通。对务实的物理学家来说，这么做无可指摘。但要证明这种方法也可以应用于引力研究，还需要更令人信服的理由才行。

　　另一种反对微扰量子化的观点认为，你不可能通过使水量子化来研究原子物理。所以，如果你认为引力并不是一种基本相互作用，而是大量微观成分的集合行为，那么将广义相对论量子化就大错特错了。

　　持这种观点、即认为引力只是解释一些未知微观成分行为的综合理论的人，其实是沿用了一种名叫“衍生引力”（emergent gravity）的概念。该理论支持者包括泰德•雅各布森（Ted Jacobson）、萨努•帕德曼纳班（Thanu Padmanabhan）、以及埃里克•韦尔兰德（Erik Verlinde）等人，他们认为引力法则可以被改写成类似热力学法则的形式。该领域的专家们对这种理论的态度仍然摇摆不定，有时认为这是“有史以来最惊人的想法”，有时则又认为“有点意思，但意义不大。”

　　但无论如何，如果你认为衍生引力是解决量子引力问题的正确思路，“就我们所知的引力理论在何种情况下会失效”这个问题就变得更复杂了。它在高度时空弯曲的情况下应当仍然会失效，但除此之外，也许还存在其它与广义相对论相背离的情况。

　　例如，韦尔兰德认为暗物质和暗能量是量子引力的残余物。如果你相信这一点，那我们就已经找到量子引力存在的证据了！还有人提出，如果时空由微观成分构成，就应当具有黏性等整体性质，或产生双折射、光色散等通常与晶体有关的效应。

　　总结一下：该领域几乎所有人都同意，在强时空弯曲的情况下，引力应当具有显著的量子效应。部分量子引力理论认为，在长距离、低加速、或低能量状态下也可能出现明显偏离广义相对论的情况。我们可以借助沉重物体的量子叠加态探测量子引力效应，但这种可能性常常被人们无视。

　　希望在我们有生之年，科学家能够找到量子引力的实验证据。