愛因斯坦錯了嗎?新時空理論動搖相對論王座

原標題:愛因斯坦錯了嗎?新時空理論動搖相對論王座 來源:參考消息網

參考消息網6月9日報道 美國趣味科學網站5月24日發表題為《愛因斯坦錯了嗎?為什麼一些天體物理學家質疑時空理論》的文章,作者是科林·斯圖爾特。全文摘編如下:

基礎理論難以調和

最初,我們曾認為地球是太陽系的中心,這種想法存在了1000多年。然後,哥白尼站出來說,假如我們只是一顆繞著太陽轉的行星,整個系統就會簡單多了。儘管一開始有很多反對意見,但隨著新發明的望遠鏡提供不計其數的證據,古老的地心說最終屈服了。

接下來,牛頓解釋引力是行星圍繞太陽運行的原因所在。他說,凡是有質量的天體彼此間都有引力。按照他的觀點,我們繞太陽轉是因為太陽拉住我們,月球繞地球轉是因為地球拉住它。牛頓理論統治了兩個半世紀以後,1915年愛因斯坦提出廣義相對論取而代之。這一新學說巧妙地解釋了水星軌道上的不一致,在1919年非洲海岸觀測到的日食中得到證實。

愛因斯坦認為,引力是空間彎曲的結果,不是拉拽形成的。他說,宇宙中的所有天體都在一個叫做「時空」的光滑四維結構里。像太陽這樣的大質量天體會使其周圍的時空翹曲,所以地球軌道就是我們的星球遵循這種曲率的結果。而在我們看來,這就像是牛頓引力。

時空說已經穩坐王位100多年,迄今為止擊敗了所有王位覬覦者,2015年發現引力波就是一個決定性的勝利。但跟之前的學說一樣,時空說恐怕也會從王座跌落。這是因為,它與物理學動物園裡的另一頭巨獸——量子論格格不入。

量子世界無比詭異,例如,單個粒子可以同時出現在兩個地方,只有通過觀察,我們才能迫使它「二選一」。在觀察之前,我們只能給可能的結果分配概率。

20世紀30年代,奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤想出一個辦法來揭示這個理念是多麼反常。他想象把一隻貓關在密封容器里,旁邊有一個裝著毒藥的小瓶,瓶子上方有一把鎚子,與鎚子相連的裝置可測量粒子的量子態。鎚子是否打碎藥瓶把貓毒死取決於測量結果,而按照量子物理學,在做出這樣的測量之前,粒子同時處於兩種狀態,所以藥瓶是碎的又沒碎,貓是活的又是死的。

這種概念無法與平滑、連續的時空結構相調和。「一個引力場不可能同時出現在兩個地方。」法蘭克福高級研究所的理論物理學家薩比娜·霍森費爾德說。

根據愛因斯坦的理論,時空被物質和能量翹曲;但量子物理學認為,物質和能量同時以多種狀態存在,它們可以既在這裏又在那裡。「那麼引力場到底在哪兒?」霍森費爾德說,「沒人能回答這個問題,有點尷尬。」

把廣義相對論和量子論結合起來呢?不行。霍森費爾德說:「若超出一定能量,得到的概率就大於1。」概率最大隻能是1,它意味著一個確定無疑的結果。確定就是確定,不可能比「確定」更加「確定」。

同樣,計算有時會給出的答案是無窮大,那就沒有實際的物理學意義。因此,這兩套理論在數學上是不相容的。

物理學家謀求「聯姻」

於是,物理學家謀求讓敵對派系「聯姻」以保障和平。他們在探索「量子引力論」,猶如展開終極斡旋讓兩個競爭對手共享王位。這讓理論家們轉向了一些奇怪的可能性。

最著名的大概就是弦論,其想法是:電子和夸克等亞原子粒子由細小的、可振動的弦構成。正如撥弄樂器上的弦可以彈奏出不同音符,信奉弦論的人認為,弦的不同組合會產生不同粒子。弦論的吸引力在於,至少在理論上,它可以調和廣義相對論和量子物理學。

但是,要像變戲法般自圓其說,弦必須在11個維度上振動,比愛因斯坦的時空結構要多7個維度。到目前為止,沒有實驗證據表明多出的這些維度確實存在。

「這是很有意思的數學題,至於它能否描述我們所在的時空,那要經過實驗才知道。」英國諾丁漢大學的約爾馬·洛科說。

一定程度上是受到弦論的啟發,其他物理學家另闢蹊徑,提出圈量子引力論。如果他們消滅廣義相對論的中心信條之一,即時空是光滑、連續的結構,就可以使兩種理論相安無事。他們提出,時空是由一系列相互交織的圈圈組成的,其結構非常非常小。這有點像一塊布:乍一看像是一塊光滑的織物,但仔細觀察,就能看出它其實是一針一線編織而成的。也可以將其看成計算機屏幕上的照片:放大了就能看出它其實是由一個個像素組成的。

問題在於,圈量子引力論物理學家所說的小是真的特別小。時空的這些缺陷只有在普朗克尺度上才看得出來,而普朗克尺度是指1米的大約一萬億分之一萬億分之一萬億分之一。它實在太小了,1立方厘米空間里的圈圈比整個可觀察到的宇宙中的立方厘米數還要多。

洛科說:「如果時空的差異僅在普朗克尺度上,那就很難有粒子加速器對它進行檢驗。」那將需要一台功率比歐洲核子研究中心的大型強子對撞機強大1000萬億倍的原子粉碎機。這麼小的時空缺陷要怎樣才能探測到呢?答案是察看大面積的空間。

從宇宙最遠處抵達地球的光一路經過了數十億光年的時空。儘管每個時空缺陷產生的影響很小,但沿途與眾多缺陷的相互作用很可能會疊加成可觀察到的影響。過去十年間,天文學家一直在使用來自遠方伽瑪射線暴的光尋找證據來佐證圈量子引力論。這些宇宙閃光是大質量恆星在生命盡頭坍縮的結果,有些東西我們目前還無法解釋。霍森費爾德說:「它們的頻譜有系統性的失真。」但沒人知道這種失真是在閃光傳到地球過程中發生的,還是與射線暴本身有關。眼下尚無定論。

量子世界「引力化」

要取得進展,我們恐怕不能止步于宣稱時空不是愛因斯坦所說的光滑、連續結構。

根據愛因斯坦的觀點,時空就像一個舞台,無論台上有沒有演員,它都在那兒;即使沒有恆星或行星散落各處,時空也仍然存在。不過,物理學家洛朗·弗萊德爾、羅伯特·利和喬爾傑·米尼奇認為這個說法束縛了我們的思維。他們認為時空並非獨立於其中的天體而存在。時空由天體相互作用的方式來定義。這樣一來,時空就是量子世界本身的偽影,而不是某種需要與之結合的東西。米尼奇說:「這或許聽起來古怪,卻正是破解難題之道。」

該理論被稱為模塊化時空,其吸引力在於,也許有助於解決理論物理學中關於定域性的另一個長期難題,以及量子物理學中著名的糾纏現象。物理學家可以建立一種情境,將兩個粒子聚到一起並連接其量子特性,然後將它們分開很遠的距離卻發現它們仍處於連接狀態。改變一個粒子的特性則另一個粒子的特性也立即改變,就好像信息從一個粒子傳到另一個粒子的速度比光速還要快,這直接違反了相對論。愛因斯坦被這種現象所困擾,以至於稱之為「遠距離詭異效應」。

模塊化時空理論可以通過重新定義「分開」來接納這樣的行為。如果說時空產生於量子世界,那麼量子意義上的「靠近」比物理意義上的「靠近」更重要。米尼奇說:「不同的觀察者會對定域性有不同看法,要視具體情況而定。」這有點像我們與他人的關係:我們會感覺跟遠方的親人離得很近,卻跟住在同一條街上的陌生人離得很遠。

弗萊德爾、利和米尼奇過去五年裡一直在探究這個想法,並相信自己正慢慢取得進展。米尼奇說:「我們希望保守一點,一步一步來,但它確實令人著迷、令人興奮。」

這無疑是一種新穎的方法,看起來是將量子世界「引力化」,而不是像圈量子引力論那樣將引力「量子化」。然而跟任何一種科學理論一樣,它需要驗證。目前,三人正在研究如何將時間擬合到他們的模型中。

這或許聽起來太深奧了,只有學者才應該關注,但它可能對我們的日常生活產生更深遠的影響。「我們置身於空間,在時間里穿梭,如果我們對時空的理解發生變化,那不僅會影響我們對引力的理解,還會影響對整個量子理論的理解,」霍森費爾德說,「我們目前所有的設備都是基於量子理論的。如果我們對時空的量子結構有更深入的了解,那將對未來的技術產生影響,也許不是50年、100年以後的技術,是200年以後的技術。」

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