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现代物理学中最迫切的研究——量子引力与超对称,未来科学的出路

2021-10-24  老胡说科学

广义相对论‍

让我们从牛顿第一运动定律开始,该定律指出,除非受到不平衡的外力作用,否则物体处于静止或永不停止的匀速直线运动。1907年的一天,爱因斯坦在瑞士专利局工作时,设想了牛顿的万有引力思想,并想象自己从附近大楼的屋顶上掉下来。
我坐在伯尔尼专利局的扶手椅上,突然想到:"如果一个人处于自由落体状态,他不会感到自己的重量。我大吃一惊。这个简单的想法给我留下了深刻的印象。它促使我朝着 "万有引力理论 "的方向发展,从而走上了通向广义相对论的道路。
这使他认识到这样一个事实:即使一个物体在自由落体中没有受到任何外力,它仍然会加速向地面移动。一个没有受到力的物体应该以恒定的速度前进。但由于重力而加速的物体却感觉不到任何力。爱因斯坦意识到,如果他解决了这个悖论,他可能会解释引力的起源。爱因斯坦称这是 "我一生中最快乐的想法!" 然后他设想了一个宇宙,在这个宇宙中,引力不是一种力,而是弯曲的时空的一种几何属性,围绕着大质量物体而扭曲。正如著名的理论物理学家约翰-惠勒(他还创造了 "黑洞 "和 "虫洞 "这两个词)用短短12个字描述了爱因斯坦的广义相对论。
时空告诉物质如何移动,物质告诉时空如何弯曲。
爱因斯坦花了数年时间研究数学,并于1915年发表了他的广义相对论,该理论被认为是数学上和实验上最一致的引力理论。广义相对论的定律主要制约着宇宙的大尺度结构。
  • 20世纪初,爱因斯坦作为一个专利局职员

量子力学‍

支配原子和亚原子世界的理论是量子力学,它由马克斯-普朗克开创,并由许多著名的物理学家进一步发展,如尼尔斯-玻尔、德-博格利、E-薛定谔、W-海森堡和沃尔夫冈-泡利等等。
经典力学与量子力学的区别是什么?
经典力学处理的是宏观世界,而量子力学处理的是基本粒子和它们的相互作用。经典力学是基于牛顿的运动定律,而接近量子力学的方法之一是基于薛定谔的一维波方程。经典力学处理的是确定性问题,而量子力学处理的是概率性问题。量子力学的基础在于对光的波粒二象性的理解。理论物理学家德布罗意在1924年提出了这个命题。德布罗意的物质波假说认为,任何具有线性动量的物质粒子也是一种波。与一个粒子相关的物质波的波长与该粒子的线性动量的大小成反比。而另一个作为量子力学基础的概念是不确定性原理,也叫海森堡不确定性原理,由德国物理学家维尔纳-海森堡于1927年提出,它指出物体的位置和速度不能同时被精确测量,即使在理论上也是如此。
薛定谔方程是量子力学的另一个主要方面,由物理学家埃尔温-薛定谔于1925年提出,并于1926年发表,构成了他在1933年获得诺贝尔物理学奖的基础。该方程发挥了经典力学中牛顿定律和能量守恒的作用,即预测动态系统的未来行为。就波函数而言,它是一个波方程,可以分析和精确地预测事件的概率。
  • 量子力学的先驱们(从上到下)尼尔斯-玻尔、阿尔伯特-爱因斯坦、马克斯-普朗克和(下)沃尔夫冈-泡利、维尔纳-海森堡、埃尔温-薛定谔

粒子物理学的标准模型‍

粒子物理学的标准模型描述了宇宙中的大部分粒子及其相互作用,以及自然界四种基本力中的三种(电磁、弱和强相互作用,而忽略了引力)。由胶子携带的强力将原子核结合在一起,使其稳定。由W和Z玻色子携带的弱力引起核反应,为太阳等恒星提供了数十亿年的动力。第四种基本力是引力,标准模型没有充分解释它。我们对这些粒子和三种力如何相互关联的最佳理解被“编译”在粒子物理学的标准模型中。该模型开创于20世纪70年代初,成功地解释了几乎所有的实验结果,并精确地预测了各种各样的现象。随着时间的推移和许多实验的进行,标准模型已被确立为一种经过充分检验的物理学理论。引力是一种非常非常弱的力(比电磁力弱10^40倍)。
  • 粒子物理学的标准模型

问题出在哪里?‍

这种不一致要求量子引力理论来解释所有的力。它以类似于量子力学预测光子存在的方式,推测出一种叫做 "引力子 "的无质量粒子的存在。引力子是介导引力的粒子。
引力子是一种非常特殊的粒子,它必须根据量子引力的预测而存在。但问题是,由于引力是一种极其微弱的力,利用今天的任何粒子物理学实验,都不可能制造出引力子。
然而,如果我们以一种完全不同的方式来描绘物理世界/维度,那么有一个很小的可能性,那就是我们可能很快在某一天找到这样的一个粒子。如果宇宙有超出3维空间的微小维度,我们就有可能找到引力子。
谈到量子引力,到目前为止已经取得了许多进展,但有两个理论在数学一致性方面非常突出,它们在统一广义相对论和量子力学方面似乎很有希望。
  1. 超弦理论
  2. 环量子引力论(圈量子引力)

超对称弦理论‍

该理论提出存在一种被称为弦的一维物体,它能形成闭合的环,然后这种环的运动发生在10维空间。一个环的直径是普朗克长度的数量级。
在这个理论中,一个环的振荡可以产生一个无质量电荷的引力子。但由于没有超对称或弦的实验证据,所以我们可以得出结论,弦理论可能被证明不过是数学上的猜测。
用振动的弦代替点状粒子的概念的起源可以追溯到20世纪60年代。弦理论预言了一种质量为零、自旋为2的粒子。两位数学物理学家约翰-施瓦茨( John Schwarz)和乔尔-舍克( Joel Scherk)在1974年发现,这个粒子正是引力子,引力的量子载体。这为调和引力与量子力学创造了一个极其惊人的出路。理论物理学家伦纳德-姆洛迪诺(Leonard Mlodinow)称赞施瓦茨和舍克的 "惊人发现",即引力是弦理论的一部分,可以 "调和广义相对论和量子力学之间的矛盾"。
  • 多种振动弦
超弦理论,被现代科学界许多伟大的知识分子,包括1990年菲尔兹奖获得者和数学物理学家爱德华-威腾(Edward Witten),认为是最有希望成为万物理论的理论。然而,该理论有其自身的局限性。超弦理论是建立在超对称的基础上的,而到目前为止还没有发现这种超对称粒子。因此,基本上,缺乏实验证据是对该理论的严重限制,尽管它在理论上是准确的,极有希望的,在数学上也是非常一致的。

环量子引力‍论(LQG)

LQG指出,时空在与普朗克尺度相当的尺度上是明确量化的,并且具有隐性的颗粒结构。
在四维时空中,这些环导致了自旋泡沫( spin foam)。它已经成功地将量子引力重整化为2个环。但如何将物质加入到理论中,以及如何将理论从普朗克尺度扩展到低能量尺度,又扩展到连续体层面,目前尚不清楚。如果我们用这些节点和网格线来描绘三维的自旋网络。它看起来像这样:
环量子引力论的起源可以追溯到1986年,当时印度理论物理学家阿贝·阿西提卡(Abhay Ashtekar )提出了爱因斯坦广义相对论场方程的量子公式。1988年,物理学家李·斯莫林(Lee Smolin)和卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli)扩展了这一研究思路,并在1990年表明,在这种方法下,引力是量化的。
环量子引力论三个成功之处是:
  1. 它量化了广义相对论的3维空间几何。
  2. 它允许对黑洞熵进行计算。
我们可以理解环量子引力论的方式是,它纳入了广义相对论,基本上只是广义相对论的量子几何版本。它使时空离散,不需要一个力的载体或任何粒子(引力子)来描述引力。
到目前为止,还没有一个这样的理论被普遍接受并被实验所证实。因此,"量子引力 "这个词实际上是一个未解决的问题,而不是一个理论。
因为它是一个未解之谜,所以它是物理学界最吸引人的话题之一。寻找一个合适的 "量子引力理论 "已成为现代物理学中最关键的研究。

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