來自 《自然》 雜誌。
一項基於相對簡單計算的分析，是否能為調和現代理論物理學中最成功但又固執地不同的兩個分支指明方向？弗蘭克·維爾切克和他的合作者們希望如此。
調和量子力學（處理基本粒子的行為）與愛因斯坦的廣義相對論（用彎曲時空描述引力）的任務已被證明是一項巨大的挑戰。其中一個困難是，當粒子所處的時空發生劇烈變化時（例如，在黑洞誕生時被認為會發生的劇烈變化），這兩種理論都無法充分描述粒子會發生什麼。但在10月15日釋出在 arXiv 預印本伺服器上的一篇論文中（A. D. Shapere等 http://arxiv.org/abs/1210.3545; 2012），三位理論物理學家提出了一種直接的方法，使量子粒子可以從一種“拓撲空間”平穩地移動到一種非常不同的拓撲空間。
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該分析沒有明確地模擬引力，因此不是試圖建立一個將廣義相對論和量子力學置於同一框架下的“量子引力”理論。相反，包括麻省理工學院（MIT）的諾貝爾獎獲得者弗蘭克·維爾切克在內的作者認為，他們的工作可能為理解引力對量子粒子的影響提供一個簡化的框架，也可以描述量子粒子在其中運動的空間可以發生根本性改變的其他情況，例如在凝聚態物理實驗中。“我非常興奮，”維爾切克說，“我們必須看看我們能把它推到多遠。”
這個想法之所以引起人們的關注，不僅是因為其可能的應用範圍，還因為它基於大學本科水平的數學。“他們的論文從最基本的框架開始，”紐約哥倫比亞大學的弦理論家布萊恩·格林說。“他們不用花哨的機制就能取得如此大的進展，這令人鼓舞。”
維爾切克和他的合著者建立了一個假設系統，其中一個量子粒子沿著一根突然分裂成兩根的導線運動。這種簡化的場景實際上是一維版本的遭遇時空撕裂的情況，當時空的拓撲結構發生根本性變化時就會發生時空撕裂。理論家們專注於導線的端點處會發生什麼——為與粒子相關的量子波的之前和之後的狀態設定“邊界條件”。然後，他們證明，當邊界條件從一種幾何結構轉變為另一種不相容的幾何結構時，波可以連續演化，而不會遇到任何中斷。“你可以平穩地跟蹤這個過程，”論文的合著者、肯塔基大學列剋星敦分校的阿爾·沙佩爾說，他補充說，就像魔術師的戒指一樣，這種轉變不可能視覺化，但確實有數學意義。
格林說，逃避此類轉變引起的數學難題的願望是弦理論的動機之一，弦理論允許時空拓撲結構的平穩變化。他認為，維爾切克、沙佩爾和麻省理工學院本科生熊兆熙開發的方法也可以應用於弦理論。
儘管維爾切克最初認為這個結果是新的，但紐約雪城大學的艾亞拉姆·巴拉錢德蘭在 1995 年發表的一篇論文中提出了一種類似的策略來描述量子力學中拓撲結構的變化（A. P. Balachandran等《核物理 B》446, 299–314; 1995）。巴拉錢德蘭承認他的工作沒有成為主流，並表示他希望維爾切克的論文能促使其他人仔細研究。“解決這個問題的傳統方法並沒有取得太大的進展，”他說。“這開闢了一種新的技術。”
該框架還可能為從事凝聚態研究的實驗人員提供靈感。加拿大滑鐵盧周界理論物理研究所的弦理論家羅布·邁爾斯說，他預計它將與一個名為量子淬滅的領域相關，在量子淬滅中，量子系統在與環境隔離的情況下演化，然後透過實驗人員的動作使其失去平衡。凝聚態物理學家已經開發了幾種量子系統——包括冷原子阱和超導電路——可用於測試這個想法。
儘管作者僅在一維情況下闡述了他們的解決方案，但邁爾斯預計，這種方法將很容易推廣到描述三維的真實實驗。但他警告說，這篇論文僅代表了第一步。“要真正看到這項工作的影響，還需要一段時間，”他說。