四种自然力中,为什么引力与众不同?

在四种自然力中,物理学家们已经找到了其中三种对应的微观粒子,即电磁力、强力和弱力。但第四种基本力——引力,则显得与众不同。

人类现有的理解引力的框架,是一百年前由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)设计的。他告诉我们,苹果熟了会从树上掉落,行星会绕着恒星转,是因为物体在时空连续体中沿着曲线移动,这样的曲线就是引力。根据爱因斯坦的理论,引力是时空介质的一种属性,其他自然力基于此发生。

但在黑洞中心或者宇宙大爆炸早期这些问题上,爱因斯坦的理论崩溃了。物理学家需要更准确的引力理论来理解这些极端时刻。这理论也必须和爱因斯坦理论在其他方面的预测达到同样的效果。

物理学家认为,在这个更准确的理论体系里,引力一定也有量子态,就和其他基本力一样。研究者从20世纪30年代起就开始钻研引力的量子理论。他们有一些可能的推测,最出名的是弦理论,认为引力和其他的现象起源于极其小的弦振动。但目前为止这些推测都还只是推测,也没有完全解释清楚。引力的可行量子理论也许是当下物理世界里最崇高的目标了。

是什么让引力如此特别?第四种力为何如此特殊,以至于研究者也找不到它的潜在的量子描述?本文作者询问了四位量子引力研究者,得到了四种不同的答案。

引力创造了奇点

克劳迪娅·德拉姆(Claudia de Rham),伦敦帝国理工的理论物理学家,研究质量引力理论(massive gravity theory),该理论认为引力的量子化单位是有质量的粒子:

爱因斯坦的广义相对论正确地描述了引力跨越近30个数量级的行为,从亚毫米尺度一直到宇宙距离。任何其他的自然力都未曾被描述得如此精确、如此复杂。理论预言和实验、观测结论完美匹配,广义相对论似乎提供了对引力的终极诠释。然而,广义相对论的神奇之处在于它预言了自己的缺陷。

广义相对论预测了黑洞和宇宙起源的大爆炸。然而这些地方存在神秘的“奇点”,时空曲率似乎接近无限,似乎成为了标志广义相对论崩溃的信号旗。在接近黑洞中心或大爆炸奇点的地方,广义相对论的理论预言就不再正确。应该有一个对时空更基本、深层的理论解释来取代它。如果能将物理学理论翻开这新的一页,我们或许能够对时空本身有一个新的认识。

对于引力之外的任何一种自然力,我们都有希望设计更大能量、更小距离的实验来深入探测它。但引力不是普通的力。要想超过某个临界点去揭开它的秘密,实验装置本身就会坍缩成一个黑洞。

引力产生了黑洞

丹尼尔·哈洛(Daniel Harlow),麻省理工学院的量子引力理论物理学家,以将量子信息理论应用于引力和黑洞的研究而闻名:

黑洞的存在是很难把引力和量子力学结合起来的原因。黑洞只可能是引力导致的,因为引力是唯一一种作用于所有物质的力,如果有任意一种粒子不受引力作用,那么我们就可以用这种粒子从黑洞内部发出信息,那么它就不能算黑洞了。

所有物质都受到引力作用,这一事实对实验产生了限制:无论你建造什么仪器,用的什么材料,它都不能太重,否则它必然会在引力作用下坍缩成黑洞。日常情况下我们不需要考虑这样的约束,但当你试图建立一个实验来测量引力的量子力学性质时,这点就变得至关重要。

四种自然力中,为什么引力与众不同?

图片来源:Pixabay

我们对其他自然力的理解建立在定域性原理的基础上。定域性原理认为,描述空间每一点性质的变量都可以独立地改变,比如电场强度。我们称这些变量为“自由度”,并且这只能直接影响到它们的近邻。定域性对于我们目前描述粒子及其相互作用的方式很重要,其中体现了因果关系:如果我所在的马萨诸塞州剑桥的自由度取决于旧金山的自由度,我们就可以利用这种相关性实现两个城市之间的即时沟通,甚至可以给过去发送信息,这可能会违反因果关系。

定域性原理的假设在一般情况下已经得到了很好的验证,假设它可以拓展到与量子引力相关的极短的距离上似乎是很自然的(这一距离很小,因为引力比其他力弱得多)。为了证实定域性原理在这些距离尺度上仍然存在,我们要建造一个装置,以检验即使两个物体之间距离这么小,它们的自由度依然是独立的。然而简单计算表明,如果一个装置足够重,能避免它所在的位置出现大的量子涨落并破坏实验,那么它也必然重得足以坍缩成黑洞!因此,在这个尺度上进行实验来证实定域性原理是不可能的。所以量子引力不需要在这种尺度上遵循定域性原理。

事实上,迄今对黑洞的研究表明,任何量子引力理论的自由度都应该大大低于我们基于其他力所预测的自由度。这一思想被纳入“全息原理”(holographic principle)中,粗略地说,该理论认为空间区域里的自由度与其表面积而不是体积成正比。

引力能凭空创造出物体

胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena),普林斯顿高级研究所的量子引力理论家,以发现引力和量子力学之间类似全息图的关系闻名:

粒子可以呈现出许多有趣和令人惊讶的现象。粒子可以自发产生,相距遥远的粒子之间也可以发生量子态纠缠,粒子可以存在于多个位置的叠加。

在量子引力中,时空本身表现出新的行为。这里并非创造粒子,而是创造宇宙。量子纠缠被认为能够在相距甚远的时空区域之间建立联系。这里还会发生不同时空的宇宙叠加。

此外,从粒子物理学的角度来看,真空其实是一个复杂的物体。我们可以想象许多被称为场的实体相互叠加,并延伸到整个空间。每个场的值不断发生小幅波动,真空态就出现在这些波动的场及其相互作用中。这种真空状态下的粒子是一种扰动,可以把它们想象成真空结构中的小缺陷。

四种自然力中,为什么引力与众不同?

图片来源:Pixabay

当考虑引力时,我们发现宇宙的膨胀似乎会凭空产生更多的真空物质。当时空被创造时,它恰好是一种没有任何缺陷的真空。真空是如何恰好以正确的排列出现的,是对黑洞和宇宙学的一致的量子解释需要回答的主要问题之一。在这两种情况下都存在一种时空拉伸,这产生了更多的真空物质。

引力无法计算

塞拉·克雷莫尼尼(Sera Cremonini),里海大学理论物理学家,从事弦论、量子引力和宇宙学研究:

引力特别的原因有很多。我会具体关注一个方面:爱因斯坦广义相对论在量子意义下是“不可重正的”(nonrenormalizable),这对引力在高能条件下的的行为有影响。

在量子理论中,试图计算高能粒子如何相互散射和相互作用时,会出现无限项。描述除引力以外的自然力的所有理论都属于可重正理论(renormalizable theory),在这类理论中,我们可以通过适当地加上其他的项,严谨而有效地抵消这些无限项,即所谓的反项(counterterm)。这个重正化(renormalization)过程能够得出物理上合理的答案,其结果与实验高度符合。

广义相对论量子理论的问题在于,描述高能引力子(graviton,引力的量子化单位)相互作用的计算将有无限多个无限项。这就需要永无止境地添加无限多的反项,也就是说无法进行重正化。正因如此,爱因斯坦广义相对论的量子理论版本不能很好地描述高能下的引力。这其中一定缺少了引力的一些关键特征和成分。

然而,我们仍然可以用解释自然界中的其他相互作用的标准量子技巧,对低能量下的引力做一个非常好的近似解释。关键在于,这种解释将在到达某个能量尺度时崩溃,或者等价地来说,在某个长度尺度下。

在这个能量尺度之上,或者在相应的长度尺度之下,我们期望找到新的自由度和新的对称。准确地捕捉这些特征需要一个新的理论框架。这正是弦论或其他一些合适的广义理论发挥作用的地方。弦论认为,在很短的距离内,引力子和其他粒子可以看成扩展的物体,称为弦。研究这种可能性可以告诉我们有关引力量子行为的宝贵信息。

撰文:Samuel Velasco

翻译:张元一

编辑:戚译引

引进来源:Quanta Magazine

本文来自:中国数字科技

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投稿时间:2022-02-12  最后更新:2022-05-25

标签:自然力   引力   爱因斯坦   自由度   量子   粒子   黑洞   尺度   与众不同   时空   理论

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