打赌重力无法量子化的物理学家 | 广达杂志

大多数物理学家预计，当我们放大现实的结构时，量子力学的不直观的怪异现象会持续到最小的尺度。 但在这些情况下，量子力学与经典引力以一种完全不相容的方式发生碰撞。

因此，近一个世纪以来，理论学家一直试图通过量子化引力或根据量子力学规则塑造引力来创建统一的理论。 他们还没有成功。

乔纳森·奥本海姆伦敦大学学院负责一个探索后量子替代方案的项目，他怀疑这是因为引力根本无法被挤进量子盒子里。 他认为，也许我们关于它必须被量化的假设是错误的。 “这种观点根深蒂固，”他说。 “但没有人知道真相是什么。”

量子理论基于概率而不是确定性。 例如，当您测量量子粒子时，您无法准确预测在哪里会找到它，但您可以预测在特定位置找到它的可能性。 更重要的是，你对粒子的位置越确定，你对它的动量就越不确定。 20 世纪，物理学家逐渐利用这个框架理解了电磁力和其他力。 

但当他们试图量化引力时，他们遇到了不自然的无穷大，必须用笨拙的数学技巧来回避。

 问题的出现是因为引力是时空本身的结果，而不是作用于时空之上的东西。 因此，如果引力被量子化，那就意味着时空也被量子化。 但这是行不通的，因为量子理论只有在经典时空背景下才有意义——你不能在不确定的基础上添加然后演化量子态。 

为了解决这种深刻的概念冲突，大多数理论家转向弦理论，该理论认为物质和时空是从微小的振动弦中产生的。 较小的派别着眼于循环量子引力，它用互锁循环网络取代了爱因斯坦广义相对论的平滑时空。 在这两种理论中，我们熟悉的经典世界以某种方式从这些基本的量子构建块中出现。 

奥本海姆原本是一位弦理论家，弦理论家相信量子力学的首要地位。 但他很快就对他的同事们为解决现代物理学中最臭名昭著的问题之一而进行的复杂数学杂技感到不舒服： 黑洞信息悖论. 

2017 年，奥本海姆开始寻找以量子世界和经典世界为基石来避免信息悖论的替代方案。 他偶然发现了一些被忽视的 研究 论量子经典 混合理论 从 1990 世纪 XNUMX 年代开始，他一直 延长 和 探索 自从。 通过研究经典世界和量子世界如何相互关联，奥本海姆希望找到一种更深层次的理论，它既不是量子也不是经典，而是某种混合体。 “当有很多可能性时，我们通常把所有鸡蛋放在几个篮子里，”他说。 

为了证明他的观点，奥本海姆最近 打了个赌 杰夫·彭宁顿 和 卡洛·罗维利 ——弦理论和圈量子引力各自领域的领导者。 赔率？ 5,000比1。 如果奥本海姆的预感是正确的，并且时空没有被量子化，那么他将赢得一桶薯片和彩色塑料 巴津加球，或者一杯橄榄油，根据他的想法——只要每件商品的价格最多为 20 便士（约 25 美分）。

我们在伦敦北部一家摆满书籍的咖啡馆见面，他在那里平静地阐述了他对量子引力现状的担忧，并赞扬了这些混合替代方案的惊人之美。 “他们提出了各种非常微妙的问题，”他说。 “我在试图理解这些系统时真的迷失了方向。” 但他坚持了下来。 

“我想要我的 5,000 个 bazinga 球。”

为简化起见，访谈进行了压缩和编辑。

为什么大多数理论家如此确信时空是量子化的？

它已成为教条。 自然界中的所有其他场都是量子化的。 有一种感觉，引力没有什么特别的——它只是一个像其他场一样的场——因此我们应该将它量化。

在你看来，重力很特别吗？

是的。 物理学家用时空中演化的场来定义所有其他力。 仅重力就告诉我们时空本身的几何形状和曲率。 没有任何其他力能够像重力那样描述我们生活的普遍背景几何形状。

目前，我们最好的量子力学理论使用了引力定义的这种时空背景结构。 如果你真的相信重力是量子化的，那么我们就失去了背景结构。

如果引力是经典的而不是量子化的，你会遇到什么样的问题？

长期以来，学术界认为引力在逻辑上是不可能成为经典的，因为量子系统与经典系统的耦合会导致不一致。 1950 世纪 XNUMX 年代，理查德·费曼 (Richard Feynman) 想象了一个能够阐明这个问题的情况：他从一个处于两个不同位置叠加的大粒子开始。 这些位置可能是金属板上的两个孔，就像著名的双缝实验一样。 在这里，粒子的行为也像波。 它会在狭缝的另一侧产生明暗条纹的干涉图案，这使得人们无法知道它穿过的是哪条狭缝。 在流行的说法中，粒子有时被描述为同时穿过两个狭缝。

但由于粒子具有质量，它会产生我们可以测量的引力场。 这个引力场告诉我们它的位置。 如果引力场是经典的，我们就可以无限精确地测量它，推断粒子的位置，并确定它穿过哪个狭缝。 因此，我们遇到了一个矛盾的情况——干涉图样告诉我们，我们无法确定粒子穿过哪个狭缝，但经典引力场让我们能够做到这一点。

但如果引力场是量子的，就不存在悖论——在测量引力场时，不确定性就会悄悄出现，因此我们在确定粒子的位置时仍然存在不确定性。

因此，如果引力表现得经典，你最终就会知道太多。 这意味着量子力学中所珍视的思想（例如叠加）会崩溃吗？

是的，引力场知道的太多了。 但费曼的论证中存在一个漏洞，可以让经典引力发挥作用。

那个漏洞是什么？

就目前情况而言，我们只知道粒子走了哪条路径，因为它产生了一个确定的引力场，该引力场会弯曲时空并允许我们确定粒子的位置。 

但如果粒子和时空之间的相互作用是随机的——或者不可预测的——那么粒子本身并不能完全决定引力场。 这意味着测量引力场并不总能确定粒子穿过哪个狭缝，因为引力场可能处于多种状态之一。 随机性悄然而至，你不再有悖论。

那么为什么没有更多的物理学家认为引力是经典的呢？

好吧，从逻辑上讲，有一个我们不量化所有场的理论是可能的。 但为了使经典引力理论与其他所有量子化理论保持一致，引力必须从根本上是随机的。 对于很多物理学家来说，这是不可接受的。

为什么？

物理学家花费大量时间试图弄清楚自然是如何运作的。 因此，在很深的层面上，存在着本质上不可预测的东西这一想法令许多人感到不安。

量子理论中的测量结果似乎是概率性的。 但许多物理学家更愿意认为随机性只是量子系统和测量仪器与环境的相互作用。 他们并不认为这是现实的一些基本特征。

你有什么建议？

我最好的猜测是，下一个引力理论将既不是完全经典的，也不是完全量子的，而是完全不同的东西。

物理学家只会提出接近自然的模型。 但作为更接近的尝试，我和我的学生构建了一个完全一致的理论，其中量子系统和经典时空相互作用。 我们只需稍微修改量子理论并稍微修改经典广义相对论，就可以打破所需的可预测性。

您为什么开始研究这些混合理论？

我受到黑洞信息悖论的激励。 当你将一个量子粒子扔进黑洞然后让黑洞蒸发时，如果你相信黑洞保存信息，你就会遇到一个悖论。 标准量子理论要求，无论你扔进黑洞的任何物体，都会以某种混乱但可识别的方式辐射回来。 但这违反了广义相对论，广义相对论告诉我们，你永远无法了解穿过黑洞事件视界的物体。

但如果黑洞蒸发过程是不确定的，那么就不存在悖论。 我们永远不知道什么被扔进了黑洞，因为可预测性被打破了。 广义相对论是安全的。

那么这些量子经典混合理论中的噪音会导致信息丢失吗？

没错。 

但信息守恒是量子力学的一个关键原理。 对于许多理论家来说，失去这一点并不容易。

这是真的。 近几十年来，关于这一点存在着巨大的争论，几乎每个人都相信黑洞蒸发是确定性的。 我对此始终感到困惑。

无论重力是否量子化，实验都会解决吗？

在某一点。 我们对最小尺度的引力几乎一无所知。 它甚至还没有经过毫米级的测试，更不用说质子级了。 但有一些令人兴奋的实验即将上线，可以做到这一点。

一个是 现代版本 “卡文迪什实验”的一部分，该实验计算两个铅球之间的引力强度。 如果引力场存在随机性，就像这些量子经典混合体一样，那么当我们尝试测量其强度时，我们将不会总是得到相同的答案。 引力场将会晃动。 任何从根本上来说引力是经典的理论都存在一定程度的引力噪声。

你怎么知道这种随机性是引力场固有的，而不是来自环境的一些噪音？

你不知道。 重力是如此微弱，即使是最好的实验也已经存在很多抖动。 因此，您必须尽可能消除所有这些其他噪声源。 令人兴奋的是，我和我的学生证明，如果这些混合理论是正确的，那么一定存在一些最小量的引力噪声。 这可以通过在双缝实验中研究金原子来测量。 这些实验已经对引力是否从根本上来说是经典的产生了限制。 我们正在逐渐接近允许的不确定性程度。

另一方面，是否有任何实验可以证明重力是量子化的？

这里有 提议的实验 寻找由引力场介导的纠缠。 由于纠缠是一种量子现象，这将是对引力量子性质的直接测试。 这些实验非常令人兴奋，但可能还需要几十年的时间。