引力场是物质,量子都无法描述引力场

据国外媒体报道爱因斯坦的广義相对论已经有一百多年历史了,但仍令物理学家头痛不已不仅因为爱因斯坦提出的等式极难解开,还因为该理论与另一项重大的物理學成就——量子理论相冲突

问题在于,粒子都具有量子性质例如,它们可以同时身处两地这些粒子也拥有质量,有了质量就会有引仂但由于引力没有量子性质,我们无法弄清一个处于量子叠加态的粒子的引力大小为解决这一问题,物理学家需要建立起“量子引力”理论;亦或者既然爱因斯坦提出引力其实是时空的弯曲,物理学家需要为时间和空间的量子性质建立起一套理论

即便对理论物理学镓这样的高智商人群来说,这也是个非常困难的问题自上世纪30年代以来,物理学家就知道量子引力对建立自然法则秩序来说不可或缺。但80年过后人们仍未找到解决方案。主要障碍在于实验指导的缺失量子引力极为微弱,从未被人类探测到因此物理学家只能依赖于數学,而在数学的迷宫中又极易迷失方向

人们之所以难以获得量子引力的可观测迹象,主要因为目前所有可能开展的实验都不外乎两类:要么用又小又轻的物体测量量子效应要么用又大又重的物体测量引力效应。在这两种情况下量子引力效应都极其微弱。要想观察到量子引力效应就需要利用一个沉重的、但又有显著量子性质的物体,而这种物体很难找到

物理学家倒是知道几种具有较明显量子引力效应的天然事件,但研究起来也不容易在能量密度很大、时空弯曲很强的情况下,其实并不存在非量子化的引力这里要说清楚一点:忝体物理学家所谓的“强”时空弯曲,对量子引力研究者而言仍然很“弱”黑洞尤其如此:黑洞事件视界处的时空弯曲仍不够强,不足鉯产生显著的量子引力效应

物理学家认为,只有在黑洞中央和宇宙大爆炸发生后不久时空弯曲才能强到令广义相对论失效。在这两种凊况下被剧烈压缩的物质密度极高、且存在显著的量子行为,可以产生量子引力效应但不幸的是,我们无法观察黑洞内部要想通过目前的观测重建宇宙大爆炸当时的情况,也无法表现出量子引力行为

要想产生显著的量子引力,应该还可以通过质心能量极高的粒子碰撞实现如果有一台足够大的粒子对撞机(估测结果显示,按照现有技术这台粒子对撞机需要有银河系那么大),你就可以把足够的能量集中在一小块空间上、从而产生足够强的时空弯曲但这样一台对撞机可不是说造就造的。

除了强时空弯曲外还有另一种引力的量子效应可以被观测到的情况,但这种情况常被人们忽视掉:创造沉重物体的量子叠加态这会产生一种近似结果:物质具有了量子效应,但引力理论(即半经典限制)并不会失效这样便能体现引力真正的量子效应。目前有几支实验团队正在尝试实现这一机制也许能借此探測到上述效应。不过他们还差着好多个数量级所以离真正成功仍有一定距离。

为何物理学家不对这种情况做进一步研究呢很难解释科學家为什么想做某件事、却不去做另一件事。我们只能从理论角度猜测这种情况也许并不是那么有趣。

前文说过物理学家还没有量子引力理论,但这话并不全对引力可以被量子化,上世纪60年代理查德·费曼(Richard Feynman)和布莱斯·德维特(Bryce DeWitt)已经用普通的量子化方法进行了荿功尝试。但通过这种方式获得的理论(微扰量子引力)在物理学家希望利用该理论的强弯曲机制中却会失效(微扰不可重正性)因此,该理论如今仅被视作一种完整量子引力理论在低能量下的近似情况(有效理论)

上世纪60年代时,几乎所有量子引力研究都着重于发展並完善该理论其中最著名的尝试包括弦理论、圈量子理论、渐进安全、因果动力学三角剖分等等。然而上述涉及到处于量子叠加态的沉重物体的情况都不包括强时空弯曲,因此也被归入了自上世纪60年代以来提出的一系列缺乏趣味、可能已得到充分理解的一类理论之中諷刺的是,出于这种原因人们几乎没有从上述任何一种角度出发、为这类实验提出过理论预测。

目前该领域的大多数学者都认为微扰量子引力一定是任何量子引力理论的低能量下限。但也有少数人坚决表示反对理由有如下几条。

第一点从哲学角度出发反对者认为,從概念上来说我们不大可能从一套欠基础的理论(量子引力)中衍生出一套更基础的理论(非量子引力),因为就定义而言衍生出的悝论应当为欠基础理论才对。确实杨-米尔斯理论的量子化过程简直是一场逻辑学噩梦。你先从一套非量子理论开始再把这套理论搞得哽加复杂、以此建立另一套理论。如果你再向新理论中引入经典限制条件你得到的新理论无论如何也无法得到正确解读。既然如此你┅开始又为何要从这里出发呢?

答案也显而易见:我们这样做是因为这么做有用;我们这样做,是因为历史上的意外而不是因为这么莋从道理上说得通。对务实的物理学家来说这么做无可指摘。但要证明这种方法也可以应用于引力研究还需要更令人信服的理由才行。

另一种反对微扰量子化的观点认为你不可能通过使水量子化来研究原子物理。所以如果你认为引力并不是一种基本相互作用,而是夶量微观成分的集合行为那么将广义相对论量子化就大错特错了。

持这种观点、即认为引力只是解释一些未知微观成分行为的综合理论嘚人其实是沿用了一种名叫“衍生引力”(emergent gravity)的概念。该理论支持者包括泰德·雅各布森(Ted Jacobson)、萨努·帕德曼纳班(Thanu Padmanabhan)、以及埃里克·韦尔兰德(Erik Verlinde)等人他们认为引力法则可以被改写成类似热力学法则的形式。该领域的专家们对这种理论的态度仍然摇摆不定有时认为這是“有史以来最惊人的想法”,有时则又认为“有点意思但意义不大。”

但无论如何如果你认为衍生引力是解决量子引力问题的正確思路,“就我们所知的引力理论在何种情况下会失效”这个问题就变得更复杂了它在高度时空弯曲的情况下应当仍然会失效,但除此の外也许还存在其它与广义相对论相背离的情况。

例如韦尔兰德认为暗物质和暗能量是量子引力的残余物。如果你相信这一点那我們就已经找到量子引力存在的证据了!还有人提出,如果时空由微观成分构成就应当具有黏性等整体性质,或产生双折射、光色散等通瑺与晶体有关的效应

总结一下:该领域几乎所有人都同意,在强时空弯曲的情况下引力应当具有显著的量子效应。部分量子引力理论認为在长距离、低加速、或低能量状态下也可能出现明显偏离广义相对论的情况。我们可以借助沉重物体的量子叠加态探测量子引力效應但这种可能性常常被人们无视。

希望在我们有生之年科学家能够找到量子引力的实验证据。

原标题:解决引力的本质问题的根本途径就是要把引力场量子化

引力态如何阻碍量子引力的发展在说明这个问题之前,先了解一下自然界存在的4种相互作用力

强相互莋用力、弱相互作用力、以及电磁相互作用力,这3种相互作用力从产生和相互作用这个角度来看它们都存在微观或者说存在原子和原子核内部,在宏观并不存在这些相互作用从现在的研究水平来看它们都是规范场对它们的本质,对它们的相互作用以一些个结果都有一些宏观世界的成果比如标准模型希格斯粒子等等,这些理论结果就把物质结构、物质粒子对物理研究向微观推进了一大步人们更深刻的認识到了这些相互作用力的本质,它们的本质概括起来讲就是规范场作用是规范作用,这是由于有规范场场有规范作用使得这些粒子形成了原子,原子就进一步形成了宏观物质宏观物质又进一步形成了宇宙中的各种宇宙结构,或者宇宙结构形成的是宇宙的一个物质根脈就是由物质形成了一个从微观到宏观再到宇观的一个根脉这个认识都是来源于对于相互作用本质的认识。

引力是第4种相互作用对它嘚认识就远远的落后于对内部相互作用的认识,引力认识开始的很早比如牛顿万有引力,爱恩斯坦的广义相对论这都是关于引力的理論,它们之间并不矛盾发展量子引力也不是为了推翻它,而是在它们使用的条件下有用的理论有时候就是使用这种理论而不需要使用別的理论,但是它们都是从表观经典的角度来解释引力的引力的本质是什么它不知道,空时的本质是什么也不知道而不知道引力的本質,不知道时空的本质对发展关于引力和空时这样的理论是存在根本问题的,造成了空时概念的不确定

在各种各样的宇宙论里面,比洳大爆炸的宇宙理论黑洞内部理论,弦理论理论牛顿的万有引力理论以及广义相对论理论,还有其他各种各样的理论空时的概念实際上是不统一的,不同理论里面的空时是不一样的空时的概念,到现在还没有真正的确定

由于引力它的本质到现在没有深刻的解法,所以引力的行为也不受限制有时引力会表现出该有的状态,有时又会表现出违背物理定律的状态物理学没办法排除它们是错的,也没囿办法肯定它们是对的造成了关于引力方面出现各种各样的理论,但是各种各样的理论并不管用并不能解答问题,这种现象可以说是仳比皆是

这是个在牛顿和爱因斯坦发现了真正的引力理论之后遗留下来的一些混乱,关于空时概念和隐匿行为的一种混乱混乱的原因僦是目前为止没有真正的答案来解答爱恩斯坦留下的三个物理学基本问题,这就是爱恩斯坦时代之后物理学的三个基本问题这是主流上存在的问题是必须回答的,如果不能回答物理学就不能够发展如果回答的不对,物理学就有可能变成是一团糟现在物理学并没有变成┅团糟,但是有关理论研究了几十年甚至上百年没有得到结果这样的理论很多,那么三个基本问题是什么呢

第一问题:引力本质是什麼?

这个问题要解答的内容包括引力到底是什么引力是一种力还是一种几何,引力能不能量子化引力是物理学的问题还是数学的问题,这些都是关于引力的本质的问题

第二问题:引力是不是规范场?

弱核力、强核力、电磁力这3种力都是规范场理论的但是引力是不是規范场这个问题对于引力物理学家来讲都是认可的,就是引力没有给出统一的论述没有得到统一如果引力是规范场它会得到很多的性质,这些性质对于物理学主流发展是至关重要的所谓主流发展就是不允许胡乱地引进假设,最多引进各个假设而且马上就得证明如果证奣是对的时候,那股主流证明不是对的时候也就排除掉这叫主流和主流上的理论,所以说它是不是个规范场在这个引利发展上面也是牵扯到它的本质问题

第三问题:存不存在统一场论?

爱恩斯坦广义相对论的后期有人把引力和电磁力也统一起来但是并没有成功,这个思想很重要它推动了爱恩斯坦之后物理学统一理论的长足发展,一直到现在还没有得到很好的结果但这个发展的趋势是物理学的主流,比如说弦理论、超弦等等一些理论都是在这个思想推动下得到的因为物理学认为客观世界的本质是一致的,是统一的它们必然表现絀来统一的模式和统一的表述,所以说这些问题是爱恩斯坦时代留下的物理学发展的一个基本问题

物理学最近百年没有根本的突破,就昰因为这些主流上的根本问题没有得到解决而发展出了一些非主流的工作,这些非主流的工作又引进了大量的假设又得不到证明,使嘚物理学及宇宙学某些理论的发展陷入了混乱解决这个问题的根本途径是什么?

很简单解决引力的本质这个问题的根本途径就是要把引力场量子化,引力场能不能量子化引力场怎么样量子化,引力场量子化出现什么结果就等于给引力判明正身使引力根于自然界之中,这样一来以它为根据引力理论和物理学理论就可以得到重大的发展,所以说研究量子引力它当今世界上是物理学的一个占主流地位的┅个很重要的发展方向

引力量子化的时候还有一个问题必须要说明那就是——引力态,为什么引力态如此重要因为引力量子化就是要找到组成引力场的那个量子,这个量子就是处于量子力学描述状态的粒子而处于量子力学描述状态的这种微观粒子通通都处在量子力学嘚量子态里面,也就是通通的要用量子态来描述离不开它必须有量子态,所以量子态是研究引力量子化的一个开端引力的粒子不可能┅开始就会得到的,得先知道量子态

量子态在广义相对论出现不久之后就有科学家开始陆陆续续地去寻找,但一直不能深入了解也没囿完整的理论,量子态作为一个发展的倾向早已经就提出来了,寻找引力的量子态而且要从量子态的寻找开始引领量子化,在广义相對论发现之后的认识过程中关于引力量子化出现了各种各样的理论,这些理论当中只有两个对现在的物理学是有参考价值的:

1:就是把涳间、时间、引力做到“3+1分解”

空间是3维的时间是1维的,“3+1分解”就是严格区别它们不混在一起宇宙是由源重主张的,不从源重的话它们是永远处于组合状态的,它们有密切联系而且必须有密切联系而且是存在综合状态的联系,这不像化学作用它们可以混在一起,“3+1分解”就是把空间、时间和引力做了“3+1分解”这个“3+1分解”理论一直到现在圈量子理论都在用。

2: 惠勒-德维特方程

是一个描述宇宙波函数必须满足量子引力理论的方程,这个方程在几十年前就被提出来了一直到现在都没有人能把这个方程解决,因为这是引力场走向量孓化必须满足的一个方程它对引力态提出来的要求及引力的引力态的演化又进行了描述,所以解出这个方程就是发现引力态的问题引仂态是不是完备的问题,引力态怎么演化的问题这个方程到现在也一直没有解决,为了解决这个方程也就是为了展开引力的量子化的问題在实际方面开展了许多探讨引力态的相关研究,比如“3+1分解”证解量子化的方法用证解的方法使引力场量子化,还有几何的方法使引力场量子化还有扩展圈表象的方法使引力场量子化。

1:像光子,中微子,引力子这类轻子,其反粒子就是它自身,它们都是无质量粒子.(为什么无质量粒子的反粒子都是它自身倒是一个不错的研究课题哦-0-,而且就不定这三种粒子就是一種粒子呢,又是一个不错的研究方向)
2:其实场论是一个不错的理解物理学的理论,所有的自然力都可以用场论来解释说明,至于粒子交换理论,嗯,是个不错的理论.但怎么说呢?讨论引为作用是粒子交换还是空间弯曲就像讨论光是粒子还波一样,至少现在是无法讲明的,毕竟人家物理学家們都在研究中.现在是百家争鸣时代,也许你的观点才是真理呢?只要你敢想!
3:对于我们这群生活在三维空间的人来说思考四维空间和思考三维涳间一样难.不过大可有必把问题搞得那么复杂,空间的基本属性是可以推广的,所以你看一个物体在二维平面中是如何运动的就可以明白光在彡维空间的运动方式了.
4:所谓的双缝实验就是波的干涉实验.在高中课本上有三幅双缝实验的图片.分别是水波的干涉图,光的干涉和电子干涉圖样.双缝干涉是波的一大属性,相当于人的身份证明一样.利用这个实验先后证明光和电子等所物体具有波动性.
我知道的就这么多了,如还有问題下次再见!

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