伦敦大学学院(UCL)的物理学家们在两篇同时发表的论文中宣布了一个激进的理论,该理论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,它支配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。但这两种理论是相互矛盾的,一个多世纪以来一直难以调和。
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种主要候选方法,弦理论和环量子引力。
但是,乔纳森·奥本海姆教授(伦敦大学学院物理与天文学)提出了一项新理论,并在《物理评论X》上发表了一篇论文,该理论挑战了这一共识,并采取了另一种方法,认为时空可能是经典的——也就是说,根本不受量子理论的支配。
这个被称为“经典引力的后量子理论”的理论并没有修改时空,而是修改了量子理论,并预测了由时空本身介导的可预测性的内在崩溃。这导致了时空的随机和剧烈波动,比量子理论所设想的要大,如果测量足够精确,物体的表观重量就无法预测。
第二篇论文同时发表在《自然通讯》(Nature Communications)上,由奥本海姆教授以前的博士生领导,研究了该理论的一些结果,并提出了一个实验来验证它:非常精确地测量一个质量,看看它的重量是否会随着时间的推移而波动。
例如,法国的国际度量衡局(International Bureau of Weights and Measures)通常称1公斤的质量,这曾经是1公斤的标准。如果这1kg质量的测量波动小于数学一致性所需的波动,则可以排除该理论。
奥本海姆教授和卡罗·罗维利教授以及杰夫·彭宁顿博士之间的赌率是5000:1,奥本海姆教授和卡罗·罗维利教授分别是量子环引力理论和弦理论的主要支持者。
在过去的五年里,伦敦大学学院的研究小组一直在对这一理论进行压力测试,并探索其后果。
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,所以理解这种矛盾是如何解决的很重要。时空是应该量子化,还是我们应该修改量子理论,或者它是完全不同的东西?现在我们有了一个一致的基本理论,在这个理论中时空不会被量子化,这是任何人的猜测。”
共同作者扎克·韦勒-戴维斯(Zach Weller-Davies)是伦敦大学学院(UCL)的博士生,他帮助制定了实验提案,并对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,那么时空曲率中必然存在随机波动,这些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,时空一定在我们周围经历着剧烈而随机的波动,但在一个我们还无法探测到的尺度上。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,我们测试我们可以把一个重原子叠加在两个不同的位置多长时间。”
共同作者Carlo Sparaciari博士和Barbara博士?oda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可以确定追求量子引力理论是否是正确的方法。
?oda博士(以前是伦敦大学学院物理与天文学,现在在加拿大圆周理论物理研究所)说:“因为重力是通过空间和时间的弯曲来体现的,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恒定的,还是以某种特定的方式波动一样简单。”
Sparaciari博士(UCL物理与天文学)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。
“但我发现令人兴奋的是,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。”
韦勒-戴维斯补充说:“如果像原子这样的量子粒子能够弯曲经典时空,那么一定存在微妙的相互作用。在原子的波动性质和时空中的随机波动需要多大之间,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”来验证时空的量子性质的实验提议是互补的。
索加托·博斯教授(伦敦大学学院物理与天文学)没有参与今天的宣布,但他是第一个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,但从理解自然基本规律的角度来看,它们非常重要。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。”
后量子理论的含义超越了引力。量子理论中臭名昭著且有问题的“测量假设”是不需要的,因为量子叠加态必然通过它们与经典时空的相互作用而局域化。
这个理论是由奥本海姆教授试图解决黑洞信息问题而产生的。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来,因为信息不能被破坏,但这违反了广义相对论,广义相对论说你永远不可能知道穿过黑洞视界的物体。由于可预测性的基本崩溃,新理论允许信息被破坏。