新理论将爱因斯坦引力与量子力学结合起来

诸平

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据伦敦大学学院(University College London)2023年12月4日提供的消息，伦敦大学学院的物理学家今天同时发表的两篇论文宣布了一种激进的理论，该理论始终将引力和量子力学统一起来，同时保留了爱因斯坦的经典时空概念。

现代物理学建立在两大支柱之上：一方面是量子理论，它控制着宇宙中最小的粒子；另一方面是爱因斯坦的广义相对论，它通过时空的弯曲来解释引力。但这两种理论相互矛盾，一个多世纪以来一直难以达成和解。普遍的假设是爱因斯坦的引力理论必须被修改或“量子化”，以适应量子理论。这是量子引力理论的两个主要候选者的方法：弦理论（string theory）和圈量子引力（loop quantum gravity）。

但由伦敦大学学院物理与天文学（UCL Physics & Astronomy）乔纳森·奥本海姆教授（Professor Jonathan Oppenheim）提出并在《物理评论X》（Physical Review X简称PRX）的一篇新论文中提出的新理论挑战了这一共识，并采取了另一种方法，表明时空可能是经典的——也就是说，根本不受量子理论的支配。详见Jonathan Oppenheim. A postquantum theory of classical gravity? Physical Review X, Accepted 5 October 2023. https://journals.aps.org/prx/accepted/d6078Ke1S941110a26ad9584bc2567e68f9f76c1e

其实，乔纳森·奥本海姆教授的此研究结果早在2018年11月7日已经在预印本文库(arXiv)网站公开[v1] Wed, 7 Nov 2018 19:10:10 UTC (197 KB)；并在2021年6月25日和2023年11月27日进行过两次修改[v2] Fri, 25 Jun 2021 19:06:18 UTC (207 KB)；[v3] Mon, 27 Nov 2023 17:24:09 UTC (252 KB). https://arxiv.org/abs/1811.03116

该理论——被称为“经典引力的后量子理论（postquantum theory of classical gravity）”——不是修改时空，而是修改量子理论，并预测由时空本身介导的可预测性的内在崩溃。这会导致时空发生随机剧烈的波动，其幅度比量子理论设想的要大，如果测量足够精确，物体的表观重量将变得不可预测。  

由乔纳森·奥本海姆教授以前的博士生领导的第二篇论文2023年12月4日在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, Barbara Šoda, Zachary Weller-Davies. Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity. Nature Communications, 2023, 14: 7910. DOI: 10.1038/s41467-023-43348-2. Published: 04 December 2023. https://www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2

此文研究了该理论的一些后果，并提出了一个实验来测试它：非常精确地测量质量，看看它的重量是否随着时间的推移出现波动。例如，法国国际计量局（International Bureau of Weights and Measures in France）通常称量1 kg的质量，这曾经是1 kg的标准。如果这1 kg质量的测量波动小于数学一致性所需的值，则可以排除该理论。 

实验的结果，或者其他证实时空的量子性质与经典性质的证据，是乔纳森·奥本海姆教授与卡洛·罗维利教授（Professor Carlo Rovelli）和杰夫·佩宁顿博士（Dr Geoff Penington）之间以 5000׃1 的赔率打赌的主题，后者他们分别是量子环引力理论（quantum loop gravity）和弦理论（string theory）的主要支持者。

在过去的五年里，伦敦大学学院的研究小组一直在对该理论进行压力测试，并探索其后果。

乔纳森·奥本海姆教授说：“量子理论和爱因斯坦的广义相对论在数学上是互不相容的，因此了解如何解决这一矛盾很重要。时空应该被量子化，还是我们应该修改量子理论，或者完全是另外一回事？现在我们有了一个一致的基本理论，其中时空不会被量子化，这是任何人的猜测。”

合著者扎克·韦勒-戴维斯（Zach Weller-Davies）是伦敦大学学院的一名博士生，他帮助制定了这项实验提案，并为该理论本身做出了关键贡献，他说：“这一发现挑战了我们对引力基本性质的理解，但也提供了探索其潜在量子性质的途径。我们已经证明，如果时空不具有量子性质，那么时空曲率必然存在随机波动，这种波动具有可以通过实验验证的特定特征。

在量子引力和经典引力中，时空必须在我们周围经历剧烈和随机的波动，但其规模我们尚未能够检测到。但如果时空是经典的，波动必须大于一定的尺度，这个尺度可以通过另一个实验来确定，在这个实验中，我们测试一个重原子在两个不同位置叠加的时间。”

共同作者卡洛·斯帕拉西亚里博士（Dr Carlo Sparaciari）和芭芭拉·索达博士（Dr Barbara Šoda）的分析和数值计算帮助指导了该项目，他们表示希望这些实验能够确定追求量子引力理论是否是正确的方法。 

芭芭拉·索达博士原来是英国伦敦大学学院物理与天文学系（UCL Physics & Astronomy）博士，现在加拿大周界理论物理研究所（Perimeter Institute of Theoretical Physics, Canada）。芭芭拉·索达说：“由于引力是通过空间和时间的弯曲而显现出来的，所以我们可以从时间流动的速度是量子性质还是经典性质的角度来考虑这个问题。测试这一点几乎就像测试质量的重量是否恒定或以特定方式波动一样简单。”

伦敦大学学院物理与天文学系的卡洛·斯帕拉西亚里博士说：“虽然实验概念很简单，但物体的称重需要极其精确地进行。但令人兴奋的是，从非常一般的假设开始，我们可以证明两个可测量量之间的明确关系-时空波动的规模，以及原子或苹果等物体可以在两个不同位置的量子叠加中放置多长时间。然后我们可以通过实验确定这两个量。” 

扎克·韦勒-戴维斯补充道：“如果原子等量子粒子能够弯曲经典时空，就必须存在微妙的相互作用。在原子的波动特性和需要多大的时空随机波动之间，必须有一个基本的权衡。”

通过寻找质量的随机波动来测试时空是否经典的提议，与另一个旨在通过寻找所谓的“引力介导的纠缠（gravitationally mediated entanglement）”来验证时空的量子性质的实验提议是互补的。

 英国伦敦大学学院物理与天文学系的苏加托·玻色教授（Professor Sougato Bose）并未参与2023年12月4日的宣布，但他是最早提出纠缠实验的人之一，他说：“测试时空本质的实验将需要大规模的努力，但它们从理解自然基本规律的角度来看，这是非常重要的。我相信这些实验是可以实现的——这些事情很难预测，但也许我们会在未来20年内知道答案。”

后量子理论（postquantum theory）的影响超出了引力。量子理论中臭名昭著且有问题的“测量假设”（"measurement postulate"）是不需要的，因为量子叠加必然通过它们与经典时空的相互作用来定位。 

该理论的动机是乔纳森·奥本海姆教授试图解决黑洞信息问题（black hole information problem）。根据标准量子理论，进入黑洞的物体应该以某种方式辐射出去，因为信息不会被破坏，但这违反了广义相对论，广义相对论说你永远无法知道穿过黑洞事件视界的物体。由于可预测性的根本崩溃，新理论允许信息被破坏。

背景信息（Background information）

量子力学（Quantum mechanics）

宇宙中的所有物质都遵循量子理论定律，但我们只能在原子和分子尺度上真正观察到量子行为。量子理论告诉我们，粒子遵循海森堡测不准原理（Heisenberg’s uncertainty principle），我们永远无法同时知道它们的位置或速度。事实上，在我们测量它们之前，它们甚至没有明确的位置或速度。像电子这样的粒子可以表现得更像波，并且几乎可以同时出现在许多地方（更准确地说，物理学家将粒子描述为处于不同位置的“叠加”）。 

量子理论支配着一切，从计算机芯片中无处不在的半导体到激光，从超导到放射性衰变。相反，如果一个系统具有明确的基础属性，我们就说它表现出经典行为。猫的行为似乎很经典——它要么是死的，要么是活的，而不是两者都不是，也不是死和活的叠加。为什么猫的行为是经典的，而小粒子的行为是量子的？我们不知道，但后量子理论不需要测量假设，因为时空的经典性会影响量子系统并导致它们局域化。

引力（Gravity）

牛顿的引力理论（Newton’s theory of gravity）让位于爱因斯坦的广义相对论（Einstein’s theory of general relativity简称GR），该理论认为引力不是通常意义上的力。相反，像太阳这样的重物体会弯曲时空结构，导致地球围绕它旋转。时空只是一个由空间的三个维度和第四个维度的时间组成的数学对象。广义相对论预言了黑洞的形成和大爆炸。它认为时间在空间中的不同点以不同的速率流动，智能手机中的GPS需要考虑到这一点，以便正确确定您的位置。

历史背景（Historical context）详见相关链接

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