量子理論和萬(wàn)有引力

■ 劉巖

源于20世紀(jì)初的二大理論——相對(duì)論和量子理論在深層次上是不兼容的，以至于到了20世紀(jì)80年代，人們懷疑這二大理論或許只有一個(gè)是完備的。是選擇相對(duì)論，還是量子理論？答案傾向于量子理論，人們相信20世紀(jì)80年代關(guān)于貝爾不等式的判決性實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持量子理論，但是，采用量子理論描述宏觀世界卻又是無(wú)能為力的，特別是采用量子理論將萬(wàn)有引力量子化。

依據(jù)量子理論，傳遞相互作用的中介物質(zhì)都被劃歸為玻色子，它們的自旋是整數(shù)，并且其質(zhì)量的大小與傳遞的相互作用成反比。傳遞短程相互作用的玻色子質(zhì)量都較大，而傳遞長(zhǎng)程相互作用的玻色子靜止質(zhì)量都為零，包括傳遞引力作用的引力子，以及傳遞電磁相互作用的光子。

這里面一個(gè)顯而易見(jiàn)的悖論出現(xiàn)了，依據(jù)量子理論，引力的傳遞者引力子的質(zhì)量為零才可能傳引力作用為長(zhǎng)程作用，但是，沒(méi)有質(zhì)量的粒子又如何和質(zhì)量發(fā)生耦合呢？

顯然，用量子理論處理萬(wàn)有引力，永遠(yuǎn)繞不開(kāi)這個(gè)悖論。

其實(shí)，早在20個(gè)世紀(jì)30年代，愛(ài)因斯坦就認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，所以，愛(ài)因斯坦自始至終都認(rèn)為引力作用是一種空間的幾何效應(yīng)，與物質(zhì)，或者質(zhì)量的構(gòu)成元素是無(wú)關(guān)的。

使愛(ài)因斯坦相信可以繞過(guò)量子理論而揭示引力本質(zhì)的思想來(lái)自于愛(ài)因斯坦超人的科學(xué)洞察力，那就是，僅僅靠宏觀的物理表象就可以觸及深層次的物理本質(zhì)。這一理念的最好注釋就是愛(ài)因斯坦在1905年“奇跡年”發(fā)表的另一篇統(tǒng)計(jì)力學(xué)論文，論文通過(guò)對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)力學(xué)描述，揭示出了物質(zhì)由原子構(gòu)成的這一事實(shí)可謂經(jīng)典。該文沒(méi)有量子理論的任何東西，但是，卻從布朗運(yùn)動(dòng)這種宏觀物理現(xiàn)象揭示出了物質(zhì)由原子構(gòu)成這一事實(shí)，更令人稱奇的是，這種統(tǒng)計(jì)力學(xué)的解釋甚至還預(yù)言出了原子的大小。

所以，對(duì)科學(xué)的超人的洞察力使愛(ài)因斯坦相信，揭示引力的根源，不需要涉及描述物質(zhì)組成的性質(zhì)的理論——量子理論。

從技術(shù)上講，愛(ài)因斯坦的設(shè)想更為現(xiàn)實(shí)。從空間結(jié)構(gòu)出發(fā)揭示引力的本源可以繞開(kāi)物理學(xué)中的一個(gè)最為棘手的問(wèn)題——質(zhì)量的來(lái)源，無(wú)論是過(guò)去，還是當(dāng)代的量子理論，都沒(méi)有搞清楚質(zhì)量的來(lái)源，甚至不知道質(zhì)量的來(lái)源是由什么賦予的。人們總是設(shè)法將物質(zhì)一層一層地深入剝離，從原子到質(zhì)子，中子，再到夸克。物質(zhì)的亞微觀結(jié)構(gòu)在一層一層深入下去，但是總是不見(jiàn)到底是什么場(chǎng)，或者什么粒子賦予任何以質(zhì)量。

所以，想靠量子理論給出引力本源的答案似乎遙無(wú)盡頭。

而引力的宏觀特征早在牛頓時(shí)代就被揭示出來(lái)了，如果能更深入至空間結(jié)構(gòu)探索引力本源，就如同愛(ài)因斯坦通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)揭示出原子的存在那樣，似乎可以更加便捷地繞開(kāi)“質(zhì)量本源”這個(gè)似乎永無(wú)答案的疑團(tuán)。

“引力理論和量子理論水和油一樣不相溶”是霍金在20世紀(jì)90年代發(fā)出的感嘆，這個(gè)感嘆的背后事實(shí)上昭示了引力本源的探索方向的選擇。選擇用量子理論的語(yǔ)言描述引力作用，漸入絕境。

那么，僅從空間的結(jié)構(gòu)出發(fā)揭示引力的本質(zhì)可行嗎？答案是肯定的，愛(ài)因斯坦已經(jīng)那樣做了，并且做得非常成功——廣義相對(duì)論就是這樣的一個(gè)理論。

可否在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入對(duì)空間結(jié)構(gòu)的微分幾何分析找出超越相對(duì)論的一個(gè)更新的引力理論？這個(gè)問(wèn)題前景應(yīng)該是有希望的，因?yàn)?，無(wú)論物質(zhì)由什么亞微觀粒子構(gòu)成，它總是要存在于空間之中，總是要與空間相互作用，它們和空間相互作用的宏觀物理現(xiàn)象背后一定隱藏了引力的奧秘。

所以，當(dāng)代的物理學(xué)家們似乎不必為引力的量子化描述的失敗而痛心，而該換一個(gè)角度，不妨從空間的微分幾何結(jié)構(gòu)出發(fā)，也許可以找出引力作用的物理本源。