量子引力——量子理论与广义相对论的和解难题

2019年9月28日 16:22

请想象我们正身处空荡荡的太空,其中零星漂浮着一些星球。而之所以没有成为陨石去流浪,是因为引力把我们固定在地球上。引力也是人类认识到的第一种基本作用力,却到现在也没真正搞明白引力是什么。

物理学家可以精确地描绘炮弹的轨迹,预测恒星或行星的轨道,却依然弄不懂引力是怎么与最小的粒子或量子发生作用的。

为了明确这个问题,关于“量子引力”物理学家进行了近一个世纪的探索,只求达到“简单”的期望:找到一条简单而统一的规则,描述引力是如何同时掌控着极大的星系与极小的夸克,还有这二者之间的一切。

广义相对论走在悬崖边缘

想不到如今物理学最棘手的问题,是去调解上个世纪最伟大的两座成就——广义相对论量子理论之间的矛盾。

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论曾取代了艾萨克·牛顿的经典引力概念,牛顿认为引力是两个物体间的相互吸引;而爱因斯坦则认为引力的本质是质量或能量弯曲了附近的时空,因而其他质量或能量就会跟随弯曲的路径行进,表现得像二者互相吸引一样。

在爱因斯坦的广义相对论方程中,引力这个量其实就是空间本身,他的理论建立在平滑、连续的经典宇宙之上,因此无论你怎么放大局部的宇宙,都能看到更小的区域,理论也都不会失效。(参考:为什么太阳会拉住地球?广义相对论说,引力原来是一种错觉)

但量子理论告诉我们,宇宙并不是连续的,它由小单元组成。难道是相对论存在错误吗?

质疑是必要的,不过还得拿出有说服力的证据才行。毕竟广义相对论已多次通过了“考核”,即使是爱因斯坦时代都没能想到的测验,相对论依然精准无误地通过了。

除了黑洞、中子星,或者地球附近的时间膨胀等现象外,广义相对论还预言了天体光谱受引力产生红移蓝移。光谱变化的原因是因为引力可以扭曲光线,从引力场中逃逸(远离黑洞)时恒星光谱发生红移,波长变长;接近引力场时恒星的光谱则发生蓝移,波长变短。

这个现象类似救护车驶进我们跟驶离我们过程中,警报声会发生变化的现象类似(这个是多普勒效应)。

“S0-2”恒星绕“Sgr A *”黑洞的轨迹

1995–2017年间共16年间,加州大学洛杉矶分校的研究者们,对银河核心的超大质量黑洞“射手座A *”(缩写为Sgr A *)与其附近的一颗恒星“S0-2”进行了持续观测。他们使用位于夏威夷的凯克天文台、双子座天文台与斯巴鲁望远镜,成功地追踪了S0-2的完整3D轨道。

结合了前人24年的观测数据,这些天文学家发现S0-2的在超大黑洞附近移动造成的光谱变化,与广义相对论一致。

黑洞的“引力透镜”效应

要知道早在广义相对论发表后的一个月后,就由德国天文学家卡尔·史瓦西通过方程的一个精确解而提出“黑洞”猜想。而后的几十年间,“黑洞”一直作为理论存在。直到2015年9月,LIGO引力波天文台才观测到“黑洞”存在的间接证据。

2019年4月,就是今年上半年,才由“事件视界望远镜”项目的科学家发表了M87星系中心黑洞的直接观察影像。一百年前的理论完美解释一百年后的实验观测结果,可见广义相对论的超前预见性。

被孤立的引力

尽管如此,大部分物理学家仍对广义相对论持悲观态度,认为它迟早会崩溃,原因是真实的宇宙并不是光滑、连续的,而是粗糙、离散的。巨大的星球天体,终归是由一个个的原子(或者说电子和夸克)组成。这些粒子通过交换另一类粒子而产生排斥力和吸引力的效果,从而彼此分离或聚集。

“标准模型”中的基本粒子

与此同时,“标准模型”近乎完美地描述了这些最小的物质粒子,以及能量和物质之间的相互作用。该理论包含24种费米子与5种玻色子,其中费米子分为夸克(反夸克)和轻子(反轻子),由它们组成物质;玻色子则产生物质间的相互作用(三大基本力)。

比如电磁力,根据量子理论是由物质粒子间交换称为“虚光子”的粒子所产生的。我们把冰箱贴贴在冰箱上,可以描述为平滑的经典磁场的作用,但这磁场的精细结构却是由粒子来产生的。但标准模型理论并不完整,它还不能解释引力暗物质暗能量

数数宇宙的四大基本力(引力电磁力强力弱力),作为“小一统”理论的标准模型唯独没能给出引力的量子描述。

尽管还存在很多未证实的引力理论,但目前为止没人知道引力场从何而来,也不知道是由什么粒子在里面起作用。

前面提到,相对论认为把我们固定在地面上的力量,来自于扭曲的空间本身。而在量子理论中,空间往往被当作一块平直的幕布,用来衡量粒子运动的速度和距离。为什么忽略了空间的扭曲呢?

因为在粒子的尺度下,引力的影响真的是小得可怜,普遍认为强相互作用力是引力的1E39倍,电磁力是引力的1E37倍。举个不太恰当的例子,开兰博基尼、戴百达翡丽的小伙,吃煎饼果子不会介意多加个鸡蛋的钱。微观粒子也几乎不计较引力作用。

当引力太弱,可以认为时空是平直的,要大到天体的程度,时空扭曲才足够明显。对粒子而言,即使物理学家想计算那微弱的扭曲,数学上又存在问题,无法给出有意义的结果。

没法计算曲率可能造成严重问题,一般情况引力可以忽略,但在大质量或能量的周围(如黑洞)的情况,空间会变得非常扭曲,引力对粒子的影响将不可忽略,遗憾的是我们并不知道合适的数学方法去计算。

新的引力解释

“圈量子引力”理论,为了使空间(引力)与微观粒子结合起来,将时空打碎成一个个不可再分的小碎片,让碎片构成了时空最基本的形貌。这个理论定义了宇宙最小的长度和最短的时间,也产生了一个证明实验。

圈量子引力理论,预言不同波长的光的速度或有极小的差异,遗憾的时并未观察到这种差异,不过该理论仍在继续发展和完善。

“弦理论”是另一种普适模型,它采取类似纤维一样的“弦”替代标准模型中的5种玻色子,来进行物质间的交换,实现相互作用力。用“弦”而不是“点”来描述基本机构,使该理论获得了实质可用的数学模型。

这份改变看上去简单,却能产生很多改变,其中一个好处是“有关引力的计算不会只产生无意义的解”。此外,弦理论的研究者谈到一个观点,“即使爱因斯坦或同时代的人从未发现广义相对论,后人也会从弦理论的研究中发现它,这非常神奇”。

弦理论学家几十年来已经富有成效地进行框架的构建,近期也发现了进一步发展的方向。

对空间的固有概念可能束缚了我们对宇宙基本结构的认知。“旁观者清,局内者迷”,正因为我们生活在空间中,并以有限的感官能力形成了固有认识,可能很难认识一些事物的本质。

比如我们一度认为“热”像一股流体,从温暖的房间流入寒冷的房间,但直到发现了分子,才明白“热”其实是空气分子在我们身上撞击的动能转化所呈现的宏观现象。所以我们也可以猜想空间(引力)也可能是某种微观实质的宏观表现,弦理论或许能揭示空间中的每一点到底发生了什么。


这些物理前沿理论比课本上可要新奇得多,其实一定程度上也反映了物理界的无奈。物理学家继续在各自的理论中解决实质性的数学问题,仿佛忘记了物理毕竟不是哲学,而是一门实验科学,但他们也有苦难言。

牛顿发明的反射式望远镜

几千年来,物理理论的创立无不是建立在大量的实验基础上,阿基米德、伽利略、牛顿、法拉第、卢瑟福等先贤都是如此。但从上个世纪开始,物理理论的发展就远远超过实验物理的步伐。

开创理论需要若干颗天才的大脑的冥思苦想;而要验证这些理论就更难了,可能穷尽了地球的资源也不够用,这就导致“巧妇难为无米之炊”的理论学家只得拥抱数学,仿佛整日在虚幻中搞研究一样。但愿天体物理的观测、太空探测器和粒子加速器能够早日为“万有理论”的选择提供强有力的数据支持,使物理学的发展走上正反馈的道路。