量子力学,会吞噬相对性吗

伤我心太深

　　量子力学会吞噬相对性吗?这是最大的问题，也是最小的问题。
　　目前，物理学家有两本独立的规则手册，解释大自然如何运作。广义相对论巧妙地说明了重力及其主导的所有事物：轨道行星，相撞的星系，整个宇宙不断膨胀的动态。这个大。还有量子力学，它应对另外三种力—电磁和两种核力。量子理论非常擅长描述当铀原子衰变或当单个光粒子撞击太阳能电池时会发生什么。这个小。


　　现在的问题是：相对论和量子力学是根本不同的理论，它们有不同的规则。这不仅仅是科学术语的问题，而是真正不相容的现实描述之间的冲突。
　　物理学两个部分之间的这种冲突一直在酝酿，已有100多年。这是由爱因斯坦1905年的两篇论文引发的，一篇概括相对论，另一篇介绍量子。但是，最近它已经进入一个有趣的、不可预测的新阶段。两位著名的物理学家在他们的阵营中圈定了极端位置，做了一些实验，最终可以确定哪种方法至关重要。

　　像素是屏幕图像的最小单位，所以可能有一个不可再分的最小距离单位：空间量子。

　　你基本上可以将相对论和量子系统之间的区分用“平滑”与“团块”来形容。在广义相对论中，事件是连续的、确定的，这意味着每个因都符合具体的、局部的果。在量子力学中，由亚原子粒子的相互作用产生的事件呈跳跃型(是的，是量子跳跃)，其结果具有或然性而不是确定性。量子规则允许经典物理学禁止的连接。这在最近进行的一个讨论得很多的实验中得到证实。在这次实验中，荷兰研究人员一反常规，无视局部效应。实验显示：两个粒子(这里是两个电子)，即使它们相距1.6千米，也可以瞬间相互影响。如果用团块的量子风格来解释平滑的相对论规律，或者用平滑的量子风格来解释团块的相对论规律，事情会非常糟糕。


　　当您尝试将其缩小到量子大小时，相对性给出无意义的答案，最终在其重力描述中下降到无限值。同样，量子力学在将其扩充到宇宙尺度时会遇到严重的麻烦。量子场携带一定的能量，即使在看似空的空间中，场越大能量也越大。爱因斯坦认为，能量和质量是等价的(即e=mc2)，所以堆积能量就像堆积质量一样。大到一定程度，量子领域中的能量变得非常大，因而产生一个黑洞，导致宇宙自身折叠。哎哟!


　　芝加哥大学的理论天体物理学家、费米国立加速器实验室粒子天体物理中心主任克雷格·霍根正在用一种新理论重新解释量子，其中空间本身的量子单位可能大到足以直接研究。同时，加拿大滑铁卢圆周理论物理研究院的创始人之一李·斯莫林正在试着通过回到爱因斯坦的哲学根基向前推进物理学，并将其调整到一个激动人心的方向。

　　要想了解什么处于险境，就得回头看先例。爱因斯坦公布广义相对论时，它不仅取代了牛顿的重力理论，而且还释放出一种新的物理观念，引发了大爆炸和黑洞的现代概念，更不用说还有原子弹和手机GPS必需的时间调整。同样，量子力学也不仅仅是重新编写了詹姆斯·克莱斯·麦克斯韦的电、磁和光的教科书方程，它为大型强子对撞机、太阳能电池和所有现代微电子学提供了概念性工具。


　　从此，骚动中出现的可以算得上是现代物理学的第三次革命，具有惊人的影响意义。当每一个事件都与其原因有确定性联系时，我们就可能知道自然法则来自哪里、宇宙是建立在不确定性上还是从根本上来说是决定性的。

　　团块宇宙


　　霍根，量子观的冠军，就是你所说的灯柱物理学家：他不在黑暗中摸索，而更喜欢把重点放在光线明亮的地方，因为在那里你最有可能看到有趣的东西，这是他目前研究工作的指导原则。他指出，当你尝试分析极短距离内的重力作用时，相对论和量子力学之间的冲突就会发生，所以他已经决定要好好看看正在发生的事情。他说：“我认为有一个我们可以做的实验，可能会看到发生了什么，看到我们仍然不明白的界面。”




　　爱因斯坦物理学中的一个基本假设一直可以上溯到亚里士多德，即：空间是连续的、无限可分的，所以任何距离都可以被切分成更小的距离。但霍根质疑是否真的如此。就像一个像素是屏幕上图像的最小单位，光子是最小的光单位，所以可能有一个不可切分的最小的距离单位：空间量子。


　　在霍根的这种观点中，询问重力在小于单个空间的距离处的行为是无意义的。没有办法让重力在最小尺度上起作用，因为不存在这样的尺度。或者换句话说，广义相对论将被迫跟量子物理学讲和，因为物理学家测量相对性的影响的空间本身将被分解成不可分的量子单位。重力作用的现实剧场将发生在量子舞台上。

　　霍根承认，他的概念听起来有点奇怪，即使对研究量子的很多同事来说也是奇怪的。自20世纪60年代后期以来，一群物理学家和数学家一直在研究一种被称为弦理论的框架，以帮助调和广义相对论与量子力学。多年来，尽管它没有履行大部分的早期承诺，但是已经演变成默认的主流理论。像团块空间解决方案一样，弦理论假定了空间的基本结构，但是从这个点开始，两家分道扬镳：弦理论认为宇宙中的每一个物体都是振动的能量弦。像团块空间一样，弦理论通过向宇宙引入有限的最小尺度来避免重力灾难，尽管单位弦甚至比霍根试图找到的空间结构大得多。


　　团块空间并不完全符合弦理论中的想法，也不符合任何其他的物理模型。霍根说：“这是一个新的想法。这不在教科书里，不是对任何标准理论的预测——但不是还没有任何标准的理论吗?”听起来好像满不在乎的样子。


　　如果团块空间观正确的话，那么这将废掉弦理论现有的大量公式，并激发出一种新的方法，用量子的方式订正广义相对论。这将暗示新的方法可用来了解空间和时间的固有本质。最奇怪的是，也许这将增强一个傲慢的观念，即我们看似三维的现实是由更基本的二维单位组成。霍根对“像素”比喻很认真：正如电视图片可以从一堆平面像素中創造出立体感，空间本身也可能从一整套二维的元素中出现。

　　霍根的思想像今天理论物理学最边缘的许多想法一样，听起来像是新生宿舍里熬夜时的那些猜想一样。唯一的不同是，他计划对自己的想法进行实验测试，就像他现在做的那样。



　　2007年，霍根开始考虑如何建立一个可以测量极其细微的粒状空间的设备。事实证明，他的同事对如何做到这一点有很多想法，比如利用搜索引力波开发的技术。霍根用了两年时间提出一项建议，并与芝加哥大学费米实验室以及其他机构合作建立了一个团块检测机，并给它取了一个优雅的名称：全息仪。(这个名字是一个难懂的双关语，参考了1 7世纪的测量仪器和二维空间可能出现三维的理论，类似于全息图。)


　　在其概念复杂性的层面之下，全息仪在技术上跟激光束差不多，一面半反射镜将激光分成两个垂直光束，另外两个反射镜将这些光束沿着一对40米长的隧道弹回。校准光束以确定镜子的精确位置。如果空间很大，镜子的位置将不断地漫游(严格来说，空间本身也在漫游)，造成它们分离中不断变化的随机变化。当两个光束重新组合时，它们将略不同步，其差将显示空间团块的大小。


　　对于霍根希望找到的空间团块尺寸，他需要将测量距离的精度保持在10-18米，是氢原子直径的一亿分之一，并以每秒大约1亿个读数的速度收集数据。令人惊讶的是，这样的实验不仅可能而且实用。霍根说：“由于光电子学的发展，我们的研究成本大大降低，因为有大量的现成零件，快速的电子产品和类似的东西。这是一个猜测成分很大的实验，所以如果不便宜就不会做的。”全息仪目前正在全力运行，以目标准确度收集数据，预计2017年年底前会进行初步的解读。


　　质疑霍根的人也有的是，其中包括理论物理界的内部人士。分歧的原因很容易理解：全息仪的成功将意味着弦理论大量工作的失败。尽管有这种表面上的争吵，霍根及其大多数搞理论的同事都深切地认为：他们基本上同意广义相对论最终将从属于量子力学。另外三个物理定律都遵循量子规则，所以重力也得这样也是有道理的。

　　对今天的大多数理论家来说，相信量子力学的主导地位仍然有更深一层的意思。在哲学认识论层面上，他們认为古典物理学的大尺度现实是一种幻觉，这种幻觉源于量子世界在更小尺度上的更“真实”方面。团块空间肯定符合这个世界观。


　　霍根把他的项目比作19世纪的迈克尔森-莫利实验，该实验搜索了以太这个假设的空间物质。根据当时的主导理论，这种假想的物质通过真空传播光波。该实验没有任何发现。这个令人困惑的无效结果促生了爱因斯坦的狭义相对论，从而产生了广义相对论，最终颠覆了整个物理学界。除了历史连接之外，迈克尔森-莫利实验还使用镜子和分束光来测量空间的结构，其设置与霍根的非常相似。


　　霍根说：“我们正在以这种精神做全息仪。我们没有看到任何东西，或者看到某些东西，不管怎么样都很有趣。做这种实验的理由只是为了看我们能否找到一些指导理论的东西。你可以通过你那些搞理论的同事对这个想法做出的反应来了解它们的构成。有一个非常依赖数学来思考的世界。我希望有一个实验结果，迫使人们把理论思维集中在一个不同的方向。”


　　无论是否能找到空间的量子结构，霍根都相信，全息仪可以帮助物理学解决其“大—小”问题。这将揭示了解空间的基本量子结构，及其如何影响穿流它的重力的相对规律的正确方式(或排除错误的方式)。




　　实实在在的大表演

　　如果你正在寻找完全不同的方向，那么就去找圆周理论研究院的斯莫林。霍根是稍稍作对，斯莫林则是干脆反对：“理查德·费曼在我当研究生时就告诉过我一件事情。他大概是这样说的，‘如果你所有的同事都试图说明一些事情是真实的，但没能说服大家，那可能是因为这件事是不正确的’。得了，弦理论已经理论了四五十年，但是没有明确的进展。”

　　这只是更广泛批评的开始。斯莫林认为，小尺度的物理方法本质上是不完整的。量子理论的当前版本做了一个很好的工作，它解释了个体粒子或小系统的粒子行为，但是没有考虑到需要一个整体上的合理理论。它不解释为什么现实是这样的，而不是别的什么样。在斯莫林的术语中，量子力学仅仅是“宇宙子系统的一个理论”。


　　他认为，更有成效的方法是将宇宙视为一个巨大的体系，并建立一种适用于整个体系的新型理论。而且，我们已经有一个理论为这个方法提供了一个框架：广义相对论。与量子框架不同，广义相对论不允许外部观察者或外部时钟的位置，因为没有“外部”，而是根据对象之间的关系和不同空间区域之间的关系来描述所有的现实，甚至像惯性这样基础的东西可以被认为与宇宙中其他每个粒子的引力场关联。


　　最后一句话听上去很怪，但值得暂停一下，仔细地想一想，它与1907年引导爱因斯坦产生这个想法的那个问题密切相关。如果宇宙完全是空的，只有两个宇航员，那会怎么样?其中一个在旋转，另一个静止不动。旋转的人感到头晕，好像在太空中推手推车一样。但是哪一个在旋转?不管从哪个宇航员的角度来说，另一个都是旋转的。爱因斯坦认为，如果没有任何外部参考，那就没有办法说出哪一个是正确的，无论谁也没有理由感觉到另外一位感觉的不同效果。


　　只有当您重新引入宇宙的其余部分时，两位宇航员之间的区别才有意义。在广义相对论的经典解释中，惯性之所以存在，就是因为你可以参照整个宇宙引力场对其进行测量。对于现实世界中的每一个东西，这种思想问题都是正确的：每个部分的行为都与其他部分的行为不可分割。如果你曾经觉得自己想要成为一个伟大事物的一部分，那么你的这个物理学就学对了。斯莫林认为，要想知道所有规模的自然如何真正发挥作用，这也是一个有希望的方法。


　　他说：“广义相对论不是对子系统的描述，而是把整个宇宙作为一个封闭的系统进行描述。”因此，当物理学家试图解决相对论和量子力学之间的冲突时，这似乎是一个聪明的策略：跟着爱因斯坦的思路走，能走多远走多远。

　　斯莫林敏锐地意识到，他正在推动着普遍的小尺度量子式思维。他快活地说：“我不是想找事，只是这事情只能这样做。我的工作就是清楚地考虑这些困难的问题，拿出我的结论，然后让尘埃落定。我希望人们能够参与论证，但我真的希望这些观点得出的预测能够得到验证。”



　　乍一听，斯莫林的想法像是具体实验的一个很好的起点。他认为，宇宙所有部分都是跨越空间相互联系的，它们也可能与时间相联系。根据他的观点，他假设物理定律在宇宙史上发生了变化。近些年来，他对如何会发生这样的事已经提出了两种详细的看法。他在20世纪90年代提出了宇宙自然选择理论，将黑洞看作孵化新宇宙的宇宙蛋。最近，他对量子力学定律提出了挑战，人们称其为优先原则，而这似乎更容易经受检验。


　　斯莫林的优先原则是为了回应物理现象为什么可重现的问题而提出的。如果你执行以前那种实验，则结果与以前相同。(划一根火柴，它会着火;以同样的方式再划一根……你就有了观念。)重现性是我们生活中司空见惯的一部分，我们平时甚至没有想过。我们只是将一致的结果归功于自然“定律”，认为这种行为在任何时候都是一样的。斯莫林假设，这些定律实际上可能随着时间的推移而出现，因为量子系统复制了过去类似系统的行为。


　　要想捕捉到出现的过程，一个可能的方法是进行以前从未做过的实验，所以没有以前的版本(也就是没有先例) 可供复制。这样的实验可能涉及创建一个高度复杂的量子系统，其中包含存在于一个新颖的纠缠状态的许多组件。如果优先原则正确，那么系统的初始回应基本上是随机的。然而，随着实验的重复，优先级得到建立，就可预测到回应……从理论上讲是这样的。


　　虽然优先级可以在原子尺度上出现，但其影响将是全系统的，宇宙范围的。这就把斯莫林的观点又联系到了一起，即小尺度简化思维似乎是解决大谜题的错误方式。让两类物理学理论一起工作虽然重要，但这还不够。他想知道的是我们大家都想知道的，这就是宇宙为什么是这样的?为什么时间是前进而不是后退?我们怎么会在这里结束，了解了这些定律和这个宇宙，而不是其他的定律和其他的宇宙?


　　目前科学界对这些问题缺乏任何有意義的回答，这表明“我们对量子理论的理解有重大的错误”，斯莫林这样说。他像霍根一样，不太关心任何一个实验的结果，他关心的是在更大尺度上寻求基本真理。对斯莫林来说，这意味着能够讲述一个关于宇宙的完整而连贯的故事，意味着能够预测实验，而且还能够解释使原子、行星、彩虹和人类独特的属性。他从爱因斯坦身上再次得到灵感。

　　斯莫林说：“广义相对论一次又一次的教训是关系主义的胜利。获得最大答案的最有可能的方法是与整个宇宙互动。”
　　最终获胜者是……

　　如果你想在是大是小的辩论中挑选一名裁判，那么你就跟肖恩·卡罗尔不相上下。他是加州理工学院宇宙学、场理论和引力物理学专家。他熟悉相对论，熟悉量子力学，对荒谬的事有健康的看法：他称他的个人博客为“荒谬的宇宙”。

　　卡罗尔把大部分的奖励给了量子。他说：“我们这个游戏中的大多数人都认为量子力学比广义相对论更为基础。”自20世纪20年代以来，这是压倒多数的看法。当时爱因斯坦一直在努力寻找量子理论在反直觉预测中的缺陷，但一直未能成功。最近的荷兰实验证明了两个广泛分离的粒子之间的瞬时量子联系，强调了证据的力量。而爱因斯坦当时把它嘲笑为“不着边际的鬼把戏”。

　　大尺度的重要性无可否认，因为它是我们居住和观察的世界





　　卡罗尔解释说，从更广的角度来看，实际问题不是广义相对论与量子理论，而是经典动力学与量子力学。相对论尽管感到陌生，但它在如何看待因果关系方面却是经典的，而量子力学绝对不是。爱因斯坦乐观地认为，如果有更深入的发现，那将揭示隐藏在量子力学下面的经典的确定性现实，但是目前尚未找到这样的秩序。(那个不着边际的鬼把戏已经证明的现实性认为，这种秩序并不存在。)


　　卡罗尔说：“如果说有什么差别的话，那就是人们对于量子力学在多大程度上抛开了我们对空间和区域观念(物理事件只能影响其周围环境)的认识不足。那些东西根本就不存在于量子力学中。”它们可能是从非常不同的小尺度现象中出现的大尺度印象，如霍根从二维空间量子单位中出现的三维现实的观点。

　　尽管如此，卡罗尔仍然认为霍根的全息仪是一个长镜头。另一方面，他并不认为斯莫林从空间开始的努力是一个根本的东西，他认为这个概念跟试图说明空气比原子更为根本一样荒谬。至于什么样的量子系统可能将物理学提升到一个新的水平，卡罗尔对弦理论抱有极大的乐观态度，他认为“似乎是量子理论的非常自然的延伸”。在所有这些方面，他都忠于主流的、基于量子的现代物理思维。


　　当然，卡罗尔的态度虽然几乎完全倾向于量子，但并不纯粹是对小尺度思维的认可，量子理论可以解释的东西还有巨大的差距。他说：“我们无法弄清楚真正的量子力学是怎样的，这真让人尴尬。而当我们考虑宇宙学或整个宇宙时，我们目前对量子力学的思考方式是完全失败的。我们甚至不知道时间是什么。”霍根和斯莫林都赞同这种观点，尽管他们对于如何回应观点不同。卡罗尔赞成自下而上的解释，认为时间从小尺度的量子互动出现，但他对斯莫林的时间更加普遍和更为根本的观点“完全不可知”。至于时间，目前还没有定论。


　　无论理论如何，大尺度的重要性无可否认，因为它是我们居住和观察的世界。从本质上讲，整个宇宙是一个答案，物理学家遭遇的挑战就是找到能够让自己的方程成立的方法。即使霍根是正确的，他的空间团块也必须大体上与我们每天经历的平滑现实相符。即使斯莫林是错误的，还有一个完整的宇宙，那里有独特的属性需要解释，而这个事情至少现在是量子物理本身无法做到的。


　　霍根和斯莫林正在通过推动理解的范围来帮助物理学领域取得这种联系。他们不仅仅推动量子力学与广义相对论之间的和解，而且也促进思想与感知之间的和谐。下一个伟大的物理学理论无疑将引向美好的新数学和难以想象的新技术。但最好的结果是创造更深层次的意义来回应我们这些观察者，将我们自己定义为宇宙的基本规模。

　　图片/本文来源：《飞碟探索》杂志