時間與空間的分離——新的量子理論顛覆愛因斯坦的時空觀

關於一個量子引力理論的傳言,該理論將空間和時間送回其牛頓根基

牛頓是對的,愛因斯坦是錯的嗎?似乎解開時空結構,迴歸19世紀的時間概念,可能會引向量子引力理論。

幾十年來,物理學家們一直在努力將量子力學與引力結合起來。相比之下,自然界的其他力都順從地各就各位。例如,電磁力可以用光子的運動在量子力學上進行描述。然而,嘗試用量子引力子的術語來計算兩個物體之間的引力,你會很快遇到麻煩——每個計算的答案都是無窮大。但現在,加州大學伯克利分校的物理學家彼得·霍拉瓦認為他理解了這個問題。他說,這一切都與時間有關。

更具體地說,問題在於時間在愛因斯坦的引力理論——廣義相對論中與空間的聯絡方式。愛因斯坦推翻了牛頓關於時間是絕對的——在背景中穩定流逝的觀念。相反,他認為時間是另一個維度,與空間交織在一起,形成一個可塑的結構,會被物質扭曲。問題在於,在量子力學中,時間保留了其牛頓式的超然性,為物質的舞蹈提供舞臺,但永遠不會受到物質存在的影響。這兩種時間概念不相容。


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霍拉瓦說,解決方案是在極高能量下,例如在量子引力統治的早期宇宙中,剪斷將時間與空間繫結的線。“我正在回到牛頓的觀點,即時間和空間不是等價的,”霍拉瓦說。在低能量下,廣義相對論從這個潛在的框架中浮現出來,時空結構重新縫合,他解釋道。

霍拉瓦將這種湧現比作某些奇異物質改變相的方式。例如,在低溫下,液氦的性質會發生巨大變化,變成可以克服摩擦的“超流體”。事實上,他已經採用了奇異相變的數學來構建他的引力理論。到目前為止,它似乎正在奏效:困擾其他量子引力理論的無窮大已被馴服,該理論吐出了一個表現良好的引力子。它似乎也與量子引力的計算機模擬相匹配。

自霍拉瓦在一月份提出該理論以來,它一直引起轟動,物理學家於十一月在安大略省滑鐵盧的 Perimeter 理論物理研究所的一次會議上討論了該理論。特別是,物理學家一直在檢查該模型是否正確描述了我們今天看到的宇宙。當愛因斯坦預測水星的運動比牛頓的引力理論更準確時,廣義相對論取得了決定性的勝利。

霍拉瓦引力能聲稱同樣的成功嗎?最初的初步答案是“可以”。里斯本大學的弗朗西斯科·洛博和他的同事們發現,它與行星的運動非常吻合。

其他人對霍拉瓦引力提出了更大膽的主張,尤其是在解釋宇宙難題時,例如大爆炸的奇點,物理定律在那裡失效。麥吉爾大學的宇宙學家羅伯特·布蘭登伯格在八月出版的《物理評論 D》雜誌上發表的一篇論文中認為,如果霍拉瓦引力是真的,那麼宇宙並沒有爆炸——而是反彈了。“一個充滿物質的宇宙將收縮到一個小的——但有限的——大小,然後再次反彈出來,給我們今天看到的膨脹宇宙,”他說。布蘭登伯格的計算表明,反彈產生的漣漪與衛星測量宇宙微波背景已經探測到的漣漪相匹配,他現在正在尋找可以區分反彈和大爆炸情景的特徵。

東京大學的宇宙學家 Shinji Mukohyama 說,霍拉瓦引力也可能創造“暗物質的幻覺”。他在九月份的《物理評論 D》雜誌上解釋說,在某些情況下,霍拉瓦的引力子在與正常物質相互作用時會發生波動,使得引力比廣義相對論中預期的拉力更大一些。這種效應可能會使星系看起來包含比可見物質更多的物質。如果這還不夠,韓國全北國立大學的宇宙學家 Mu-In Park 認為,霍拉瓦引力也可能是宇宙加速膨脹的幕後推手,目前這歸因於神秘的暗能量。對其起源的主要解釋之一是,空曠的空間包含一些內在能量,將宇宙向外推。根據 Park 的說法,這種內在能量無法用廣義相對論來解釋,但自然而然地從霍拉瓦引力的方程式中跳出來。

然而,霍拉瓦的理論遠非完美。洛桑瑞士聯邦理工學院 (EPFL) 的量子引力研究員迭戈·布拉斯在仔細檢查太陽系的計算時,發現了該理論中的“隱藏疾病”。布拉斯解釋說,大多數物理學家都檢查了理想情況,例如,假設地球和太陽是球體:“我們檢查了更現實的情況,太陽幾乎是球體,但又不完全是。”廣義相對論在兩種情況下都給出了幾乎相同的答案。但在霍拉瓦引力中,現實情況給出了截然不同的結果。

布拉斯與同樣在 EPFL 的謝爾蓋·M·西比里亞科夫和日內瓦 CERN 的奧里奧爾·普霍拉斯一起,重新制定了霍拉瓦引力,使其重新與廣義相對論保持一致。西比里亞科夫於九月在法國塔盧瓦爾的一次會議上介紹了該小組的模型。

霍拉瓦歡迎這些修改。“當我提出這個時,我並沒有聲稱我已經有了最終的理論,”他說。“我希望其他人來檢查它並改進它。”

CERN 的量子引力專家吉亞·德瓦利仍然持謹慎態度。幾年前,他嘗試了一個類似的技巧,打破時空以解釋暗能量。但他放棄了他的模型,因為它允許資訊的傳遞速度超過光速。

“我的直覺是,任何這樣的模型都會有不希望看到的副作用,”德瓦利認為。“但如果他們找到一個沒有副作用的版本,那麼這個理論必須被認真對待。”

注意:本文最初印刷時的標題為“時間與空間的分離”。

Zeeya Merali 是一位居住在倫敦的自由撰稿人,也是《小房間裡的大爆炸》(Basic Books,2017 年)的作者。

更多作者:Zeeya Merali
大眾科學 Magazine Vol 301 Issue 6本文最初以 “時間與空間的分離——新的量子理論顛覆愛因斯坦的時空觀” 為標題發表於 大眾科學 Magazine 第 301 卷第 6 期 ()
doi:10.1038/scientificamerican122009-22jMBBgHJmwY7d7kE0kruR
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