科技 新浪科技 你有沒有想過,蘋果下落時會受到量子引力?

你有沒有想過,蘋果下落時會受到量子引力?

新浪科技 2020-06-30 14:50

  來源:中科院物理所

  我們問了四位物理學家,為什麼引力在各種力中顯得那麼獨特。從四位物理學家那裡,得到了四個不同的答案。

  物理學家仍然在思考,蘋果為什麼會落下?

  物理學家們已經將自然界四種力中的三種:電磁力、強核力和弱核力對應到其量子粒子的起源,但第四種力:引力,卻跟其他的三種不同。

  一個世紀前,阿爾伯特·愛因斯坦建立了沿用至今的萬有引力的框架,它告訴我們蘋果從樹上掉下來以及行星圍繞恆星運行都是由於他們在時空連續體中沿曲線運行,這些曲線就是引力曲線。愛因斯坦認為,引力是時空介質的一個特徵,自然界的其他力在這個階段中發揮作用。

  但是在黑洞的中心附近或者是宇宙的開端,愛因斯坦的方程失效了。為了精確描述這些極端情況,物理學家們需要一個更真實的引力圖像,它在除極端之外的情況下也必須跟愛因斯坦方程一樣準確。

  物理學家認為,就像其他的三種力一樣,在這個更真實的理論中,引力必須有量子形式。早在20世紀30年代,研究人員就一直在尋找引力的量子理論。他們已經發現了一些可能的想法,特別是弦論——弦論認為引力和其他的現象都是由弦的微小振動產生的,但目前為止,這些都還是猜測且並沒有被完全理解。也許,尋找一個有效的量子理論是當今物理學中的最崇高的目標。

  是什麼使得引力如此獨特?

  發現這第四種具有潛在量子屬性的力與之前有什麼不同?

  我們詢問了四位不同的量子引力研究者,得到了四份答案。

   引力孕育奇點

  倫敦帝國理工學院的理論物理學家克勞迪婭·德拉姆曾研究過質量引力理論,該理論假設,引力的量子單元是具有質量的粒子。

  愛因斯坦的廣義相對論正確地描述了引力在近30個數量級上的行為:從亞毫米尺度一直到宇宙距離。沒有任何一種其他的力可以在如此寬廣的尺度範圍內具有如此精度。實驗和觀測的一致性達到了如此高的水平,廣義相對論似乎可以提供引力的終極描述。然而,廣義相對論的令人驚訝之處在於它預言了自己的衰落。

  廣義相對論預言了黑洞和宇宙起源之時的大爆炸。然而,這些地方的「奇點」,即時空曲率無限大的神秘點,卻充當了廣義相對論崩潰的信號旗。隨著人們接近黑洞中心的奇點或大爆炸奇點時,廣義相對論的預測就不再正確,此時,應該有對空間和時間的更基本、更底層的描述。如果我們能揭開這一新的物理層,或許我們能夠對空間和時間本身有一個新的認識。

  如果引力是自然界中任何其他的一種力,我們可以通過能量更高、距離更小的實驗來對其進行深入探測。但是引力與普通力不同,當試著揭開其本質,將實驗聚焦于某一個點上時,實驗裝置本身就會坍縮為一個黑洞。

   引力導致黑洞

  麻省理工學院的量子引力理論家丹尼爾·哈洛因將量子資訊理論應用於引力和黑洞的研究而聞名。

  引力和量子力學難以結合的原因是:黑洞。黑洞只能是引力的結果,因為引力是所有物質都可以感受到的唯一力。如果有任何一種粒子沒有引力,那麼就可以利用這種粒子從黑洞內部發送信息,那麼黑洞實際上就不會是黑色的了。

  所有物質都能受到引力作用的事實限制了很多實驗的進行:無論你建造的是什麼設備,由什麼製成,它都不能太重,否則其必將在引力的作用下坍塌為一個黑洞。這個約束在日常中無關緊要,但是如果想嘗試構建一個實驗來測量引力的量子力學特性,則它變得至關重要。

  我們對自然界其他力的理解是建立在定域性原理的基礎上的,定域性原理認為,描述空間每一點上發生的事情的變數——比如那裡的電場強度——都可以獨立地改變。此外,這些變數,我們稱之為「自由度」,只能直接影響他們的近鄰。定域性對於我們目前描述粒子及其相互作用的方式很重要,因為它保留了因果關係。比如說,如果馬薩諸塞州劍橋市的自由度取決於舊金山的自由度,我們或許可以利用這種依賴性,實現兩個城市之間的即時溝通,甚至向過去發送信息,從而可能違反因果關係。

  定域性假設在一般情況下得到了很好的驗證,並且可以推測它能夠擴展到與量子引力相關的非常短的距離內(這些距離很小,因為引力比其他力弱得多)。為了確認這些短距離尺度上的定域性,我們需要建立一個測試裝置,這個裝置能夠測出在距離如此近時,自由度是否獨立。然而,一個簡單的計算表明,就算是一個只在其位置上避免量子漲落的裝備,也會由於太重而坍塌成黑洞!因此,在這個尺度上滿足定域性是不可能的。因此,在這個長度尺度上,量子引力不需要遵守定域性。

  事實上,迄今為止,我們對黑洞的理解表明,任何量子引力理論的自由度的數量,都應該大大低於我們根據其他力的經驗所預期的自由度。這一思想被編入「全息原理」中,粗略地說,空間區域的自由度與其表面積成正比,而不是體積。

黑洞 | wiki黑洞 | wiki

   引力無中生有

  新澤西州普林斯頓高級研究所的量子引力理論家胡安·馬爾達塞納,他最著名的成就是發現了引力和量子力學之間類似全息圖的關係。

  粒子可以展示很多有趣和令人驚訝的現象。粒子可以自發地產生,相距很遠的粒子之間會有糾纏,存在多個位置的疊加粒子。

  在量子引力中,時空本身以新穎的方式表現。我們不創造粒子,而是創造宇宙。糾纏被認為在遙遠的時空區域之間建立聯繫,不同時空的宇宙可以有疊加態。

  此外,從粒子物理學的角度來看,空間的真空是一個複雜的對象。我們可以想象許多稱為場的實體,它們相互疊加並延伸到整個空間。每個場的值在短距離內不斷波動,從這些波動的場及其相互作用中,真空出現。在這種真空狀態下,粒子被看作是干擾,我們可以將它們描述為真空結構中的小缺陷。

  當我們考慮引力時,我們發現宇宙的膨脹似乎會從虛無中產生更多的真空物質。當時空被創造出來時,它恰好與沒有任何缺陷的真空相對應。我們需要回答真空是如何出現的問題,從而獲得對黑洞和宇宙學的同樣的量子描述。在這兩種情況下,都存在一種時空拉伸,導致產生更多的真空物質。

   引力不能被計算

  裏海大學理論物理學家塞拉·克雷莫尼尼從事弦理論、量子引力和宇宙學研究。

  有很多原因可以解釋引力是特別的。集中在一個方面來談的話,愛因斯坦廣義相對論的量子版本是「不可重整化的」,這對高能的引力行為有很大影響。

  在量子理論中,當你試圖計算高能粒子之間的散射和相互作用時,就會出現無窮項。在可重整化的理論中(包括除引力以外的所有自然力的理論),我們可以通過適當地加上其他量,即所謂的反項,以嚴格的方式消除這些無窮大。這一重整化過程可產生物理上與實驗相符合的答案,具有非常高的準確性。

  廣義相對論量子版的問題在於,描述高能引力子相互作用的計算——量子化引力單位——將有無限多個無限項。你需要在一個永無止境的過程中添加無限多的反條件,重整化將失敗。正因為如此,愛因斯坦廣義相對論的量子版本並不能很好地描述高能下的引力,中間必然缺少了引力的一些關鍵特徵和成分。

  然而,在低能條件下,我們仍然可以用標準量子技術對引力有一個非常好的近似描述,這些技術可以用於自然界中的其他相互作用。很重要的一點是,這種對引力的近似描述將在某個能量尺度下失效,或者說是在某個長度以下失效。

  在這個能量尺度下,或者在相關的長度尺度下,我們期望找到新的自由度和新的對稱性。為了準確地捕捉這些特徵,我們需要一個新的理論框架。這正是弦理論或一些其他推論的來源:根據弦理論,在很短的距離內,我們會看到引力子和其他粒子是擴展的物體,稱為弦。研究這種可能性可以給我們提供有關引力量子行為的寶貴經驗。