时至目前为止,理论物理上最深奥的问题之一,就是调和广义相对论与量子力学,而一个令物理学家们无比兴奋的,同时也争论不休的量子引力新模型,是否能重新书写物理学理论?针对不久前诞生于美国劳伦斯伯克利实验室的“霍扎瓦模型”,美国得克萨斯A&M大学科学家对其进一步研究后得出中肯的结论,并将结果与值得商榷的内容发表于8月24日出版的《物理评论快报》杂志。

量子引力的新曙光

量子引力主要就是尝试将量子力学与广义相对论合并在一起,描述对重力场进行量子化,属于万有理论之一隅。但应该如何结合,又如何让二者在微观长度等级下维持正确性,以及任何候选的量子引力论又能提供什么样可证实的预测,这是当前的物理学悬而未决的问题。遗憾的是,量子引力所探讨的能量与尺度,乃是此前实验室条件下无法观测得到的,尽管可能,且可以透过天文观测来检验,但仍属少数特例,关于量子引力理论发展上的提示一直未能成功。

不久之前,美国劳伦斯伯克利实验室的弦论家霍扎瓦(P. Horava)提出的一个新的量子引力模型在物理学界引起很大反应。这位最初让膜宇宙论思想在超弦理论中出现的物理学家、思想独到的捷克人,因为这次的新理论可能会对爱因斯坦的广义相对论产生巨大影响,进而涉及到解决理论物理经典矛盾,引得广大物理学家们在无比兴奋的同时争议不断。而另一点关键的是,该模型可用实验方法加以测试。

得克萨斯A&M大学的团队进而对此展开深入研究,最后在报告中指出,霍扎瓦的理论将会对广义相对论的解答产生广泛影响。但另一方面,他们的报告同时引领出另一个新矛盾,那就是“霍扎瓦模型”其实是在无法观察的尺度上再现广义相对论,而这一尺度范围甚至比宇宙还要大。物理学家们认为,报告的研究成果对模型的检测有着极其重要意义,目前尚需大量的工作来消化此消彼长的问题。

支柱理论的不兼容

对于理论物理学上这个长久而明显的矛盾,证明即便是同领域同样成功的理论,也可能在根本架构上有冲突之处。

1916年由爱因斯坦建立的广义相对论对引力进行过成功的描述,透过质量对于时空曲率的影响(爱因斯坦方程式E=MC2)而对水星近日点岁差偏移、引力场下光线红移、光线弯折等三种以往无法解释的现象提出了完满的解释。并且至今为止,在天文学的观测上,实验数据与广义相对论预测值的相符程度远高于其他竞争理论。因此,很久以来,很少有人怀疑由广义相对论对引力论述的正确性。

如果说广义相对论是现代物理学的两大支柱之一,那么,量子理论作为我们借此了解基本粒子以及凝聚态物理的基础理论就是现代物理的另一支柱。量子力学从狄拉克建立了相对论性量子力学的狄拉克方程开始,扩充成量子场论的各种形式,可以成功地解释了其他三种作用在微观尺度的基本力,包括电磁力、原子核的强力与弱力的量子行为,其中仅剩下引力的量子性尚未能用量子力学来描述。

简言之,广义相对论在大尺度结构(恒星、行星、银河)上可以适用,量子力学则描述了其他三种作用在微观尺度的基本力。它们的矛盾则是物质的量子化描述和时空的几何化描述之间不具有相容性,包括理论发展,及细微的逻辑上的拉锯战。

至今人类还没能得到一个称得上完整并自圆其说的量子引力理论。这个理论需要能够对黑洞内部以及极早期宇宙的情形做出充分的描述,而其中的引力和相关的时空几何需要用量子化的语言来叙述。一直以来很多个有潜质的候选理论正在发展,不过都各有问题需要解决,且都面临无法从实验上验证理论预言的问题。至于2009年大热的“霍扎瓦理论”,也只有将其概念应用到广义相对论的框架中,才具有将“尝试”变成为“正式”的资格。


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