量子引力需要的是更多的實驗

扎比內·霍森菲爾德

譯/晨飛

20世紀90年代中葉，我學了數學。我的確不能肯定這一輩子想干什么，但是數學描述自然世界的能力讓我驚嘆不已。學了微分幾何和李氏代數之后，我參加了數學系組織的一個系列研討，討論基礎物理學里最大的問題：如何把引力量子化，然后將所有自然力統一在一個理論框架之下。該系列討論聚焦于賓夕法尼亞州立大學阿貝·阿西提卡倡導的新方法。這樣的討論我以前沒有參加過，所以給我的印象是問題已經得到解決，只是消息還沒有傳開而已。

? ?在這團星云的深處是一個快速旋轉的中子星， 它的名字叫PSRB1509—58，缺乏任何啟發性。中子星產生規則的射電脈沖，這種射電脈沖可以各種不同的方式來尋找引力的量子效應。

這次研討好像顯然是純粹思想的一次勝利。比如說，數學上的一致性要求引導人們發現了希格斯玻色子。如果沒有希格斯，粒子物理的標準模型就不會對粒子發生作用，粒子的碰撞發生在1萬億電子伏特的能量水平，完全在大型強子對撞機的能標范圍之內。概率不再會增加到100%，在數學上不會有什么意義。因此，能量一旦被超越，應該會出現新的東西。物理學家能夠想到的最簡單的可能性就是希格斯粒子，果不其然他們發現了。

20世紀二三十年代，愛因斯坦的狹義相對論與量子力學在數學上的不一致產生了量子場論，又在此基礎上建立了標準模型。狹義相對論和牛頓引力在數學上的矛盾產生了廣義相對論，這是當前最先進的引力論。現在，物理學家要解決的就是標準模型與廣義相對論之間的矛盾。當然，我們期待以量子引力論的形式解決這個矛盾，跟早期的情況同樣具有啟示性。

最有希望的想法來自一個完全沒有預期的方向。

隨著時間的推移，我了解到其他研究人員也開始運用其他方法進行研究，相信他們已經接近于找到問題的答案。弦理論、圈量子引力、因果動力三角、漸進安全引力、因果集，這些研究項目的實踐者也都確信他們能夠運用數學模型揭秘自然。他們之所以出現差異，不是因為數學推導中出現了錯誤，而是因為他們假設的出發點不同。數學是一種演繹工具，但是數學上的結論與其假設差不多，沒有優劣之分。邏輯不足以用來確定物理理論，唯一的辦法是找出哪個理論描述了實驗性檢驗的性質。

可是，采用不同方法的人彼此之間幾乎從來都不交流，即使交流，意見也不一致。而且為什么要一致呢？在缺乏實驗證據的情況下，沒有必須一致的道理。所以，數學就堆成了堆，文章寫了成千上萬篇，會議開了成百上千次。可是，沒有哪一種方法能夠拿出一個明確的方案，幾十年過去了還是沒有成功，尋找量子引力被懷疑的陰云籠罩。

20世紀90年代學術界出現過自相矛盾的情況，幾乎沒有人再去探討如何發現量子引力的觀察證據——這樣做被認為是不可能的。量子引力效應極其微弱，物理學家對探測到潛在的引力粒子——引力子——的概率進行了評估，發現即使將木星大小的探測器送到圍繞一個中子星的環繞軌

道，發現的可能性仍然很小。

可是，直接探測到引力子難道是找到量子引力證據的唯一辦法嗎？這個問題一直縈繞在我的腦海。20世紀90年代后期，我轉而研究物理學。研究量子引力的多數物理學家仍然相信他們的數學最終會找到出路。我沒有那種信心。可是我也沒有過分悲觀，我不認為量子引力無法通過實驗進行研究。恰恰相反，我還是愿意相信在我的有生之年，通過實驗對引力量子化會成功的。

今天，搜尋量子引力實驗證據的人面臨一個獨特的研究難題：我們既沒有理論也沒有數據！可是，即便沒有一個普遍認可的量子引力理論，我們仍然能夠調查各種候選理論里預期的量子引力的一般屬性。

比如說，有些理論認為，時空是不連續的。如果是這樣的話，那就有缺陷，就像晶體有缺陷一樣，這些缺陷能改變光的軌跡，將遙遠處類星體的圖像模糊化。有些理論提出，時空是一種基質或流體，如果是這樣的話，就連真空都會有物質屬性，比如黏度（像蜜那樣拖動自己）或擴散性（使光色分離）。有些理論預測了廣義相對論中受到推崇的違反對稱，有些理論預言時空的量子波動能擾亂敏感的量子體系。我們可以搜尋所有這些。

如果整個地球都會發生那樣的事，那么從樹上掉落的蘋果就會同時有兩個方向。

大家已經知道我們還什么也沒找到，否則就已經有所風聞了。但即使結果是零，對理論的發展也是有價值的指導。這些零結果能夠讓我們學到一些觀念，比如說，時空可能是個規則的架構，根本沒法觀察。

當然，如果有現實的信號那就會更令人激動。近年來，我們能夠識別幾種達到那個目標的新現象。以原始引力波為例。早期宇宙里的這些小小的時空波動應當在宇宙微波背景輻射中留下了清晰的印記。2014年，BICEP2協作項目宣稱測量到了那個印記，雖然后來證明有誤，但是這并不意味著太空中沒有引力波，只意味著人們會花更大氣力去尋找。引力波的量子屬性將指導我們建造我們的模型。亞利桑那州立大學的勞倫斯·克勞斯和麻省理工學院的弗蘭克·維爾切克認為，探測到原始引力波會說明引力必須量子化。他們的觀點過于單純，但是文森特·文寧和歐金尼奧·比安奇各自獨立著手，找到了微波背景數據的分析結果，可以區分量子波動與非量子波動。

位于南極的B1CEP2望遠鏡。原始引力波是量子引力的重要線索

然后就是黑洞。黑洞物理是量子引力的一個重要研究課題。在很長一段時間里，科學界一致認為量子引力效應只有靠近黑洞中心才會有重大意義，它標志著黑洞的邊界，隱藏在事件視界背后，因此無法從外部測量。然而，在過去的幾年里，這種認識發生了變化。比如說，一種理論觀點認為黑洞周圍是一面“火墻”，一個物質面，它會把落入的物質全部毀滅。雖然我和一些科學家對這個觀點有疑問，但是這并非我們認為量子引力效應會出現于事件視界的唯一理由。

如果量子引力效應真的出現于視野，那么觀察黑洞就能夠揭示有關量子引力的信息。長島大學的邁克爾·卡維奇提議尋找中子星環繞黑洞的二進制系統。中子星發出射電波，如果它的波束在黑洞的事件視界留下了劃痕，我們觀察到的脈沖就會受到黑洞結構的影響。圓周理論物理研究所的尼亞耶什·阿夫肖爾迪正在研究黑洞合并產生的引力波。等到新合并的黑洞塵埃落定時，量子效應便會出現。

但是，最有希望的想法來自一個完全沒有預期到的方向。如果引力場能夠量子化，它就能表現出特色的量子行為，如疊加，在這種情況下，一個體系就同時處于不同狀態。

以量子行為（雙狹縫實驗）這個經典模型為例：如果向屏幕發射一束電子，屏幕上撕開兩個縫，那么電子就會形成與眾不同的波形。要創造這個模式，每個電子都得同時通過兩個狹縫——這兩個通道是疊加的。但是，電子有質量，質量影響引力場。如果這個電子在量子疊加中，那么它的場也應該在一個量子疊加中。這是一個非常奇怪的念頭。如果整個地球都會發生同樣的事，那么從樹上掉落的蘋果就會同時體驗兩個不同方向的不同引力場。這就說明量子力學與廣義相對論不能兼容，量子引力就是場疊加的固有屬性。

必須體驗的科學問題。

1923年，德國物理學家阿諾爾德·佐默菲爾德給他最優秀的學生布置了一個專題博士論文。后來，他承認“我不會再給我的學生出這種難度的題了”。

截至目前，誰也沒有看到論文中提出的效應，因為單個電子的引力場太微弱，無法測量。然而，近年來，不同的實驗團隊創造了更大物體的疊加，目前最先進的大約是1納克。在維也納，馬庫斯·艾斯派梅爾及其團隊著手研究一個很有野心的項目，即測量小至1毫克的質量的牽引力。我們距離能夠測量量子物體引力場的日子已經不遠了。

貝爾法斯特王后大學的莫羅·帕泰爾諾斯特羅及其合作者正在想法精準確定哪些特征能區別量子化的引力場和非量子化的引力場。他們的方法聚焦于一個典型的量子屬性，即糾纏，確定物體的屬性相互關聯。試著考慮兩個物體的引力相互作用，它們之間的相關性將依賴于該場是否量子化。按照這種想法去做，如果要對這些關聯進行測量，你就必須知道量子化是怎么回事。

科學要求實驗校驗，這已經是舊聞了。古代許多哲學家夢想著內省足以揭開自然之謎，不幸的是這個夢想仍然存在于研究量子引力的理論家中。最終，思想訓練無論多么富有經驗，在假說的選擇上總是歸結到美學或哲學傾向。量子引力方面的許多文獻都致力用一堆堆的數學把這些傾向埋沒。

從我第一次聽說量子引力已經過了20年，這個領域的主流仍然依賴于數學上的一致性。但是，像我這樣研究通過實驗來檢驗量子引力可能性的人現在越來越多。而且數學方法的失敗越明顯，我們就越清楚唯一的出路是尋找實驗證據，無論多么艱難都得這么做。第一步只是解釋引力量子化。然后，我們就能夠開始探索引力現象的全范圍。這樣做就可以將量子引力從數學提升到物理學。

適合于物理學的東西也適合于工程學。我跟很多同事不同，認為理解怎樣量子化引力將具有實用價值。這樣一個理論不僅幫助我們理解空間與時間，而且對理解一般的量子體系也有所助益。這將經過一個漫長的過程，但是從亞里士多德的四大元素到今天的四大力就耗費了我們2000年。如今我們已經置身于這個長遠規劃中了。