化解理論物理經典矛盾 新量子引力模型嘗試與廣義相對論對接

2009年09月04日10:18  來源:《科技日報》

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  時至目前為止,理論物理上最深奧的問題之一,就是調和廣義相對論與量子力學,而一個令物理學家們無比興奮的,同時也爭論不休的量子引力新模型,是否能重新書寫物理學理論?針對不久前誕生於美國勞倫斯伯克利實驗室的“霍扎瓦模型”,美國得克薩斯A&M大學科學家對其進一步研究后得出中肯的結論,並將結果與值得商榷的內容發表於8月24日出版的《物理評論快報》雜志。

  量子引力的新曙光

  量子引力主要就是嘗試將量子力學與廣義相對論合並在一起,描述對重力場進量子化,屬於萬有理論之一隅。但應該如何結合,又如何讓二者在微觀長度等級下維持正確性,以及任何候選的量子引力論又能提供什麼樣可証實的預測,這是當前的物理學懸而未決的問題。遺憾的是,量子引力所探討的能量與尺度,乃是此前實驗室條件下無法觀測得到的,盡管可能,且可以透過天文觀測來檢驗,但仍屬少數特例,關於量子引力理論發展上的提示一直未能成功。

  不久之前,美國勞倫斯伯克利實驗室的弦論家霍扎瓦(P. Horava) 提出的一個新的量子引力模型在物理學界引起很大反應。這位最初讓膜宇宙論思想在超弦理論中出現的物理學家、思想獨到的捷克人,因為這次的新理論可能會對愛因斯坦的廣義相對論產生巨大影響,進而涉及到解決理論物理經典矛盾,引得廣大物理學家們在無比興奮的同時爭議不斷。而另一點關鍵的是,該模型可用實驗方法加以測試。

  得克薩斯A&M大學的團隊進而對此展開深入研究,最后在報告中指出,霍扎瓦的理論將會對廣義相對論的解答產生廣泛影響。但另一方面,他們的報告同時引領出另一個新矛盾,那就是“霍扎瓦模型”其實是在無法觀察的尺度上再現廣義相對論,而這一尺度范圍甚至比宇宙還要大。物理學家們認為,報告的研究成果對模型的檢測有著極其重要意義,目前尚需大量的工作來消化此消彼長的問題。

  支柱理論的不兼容

  對於理論物理學上這個長久而明顯的矛盾,証明即便是同領域同樣成功的理論,也可能在根本架構上有沖突之處。

  1916年由愛因斯坦建立的廣義相對論對引力進行過成功的描述,透過質量對於時空曲率的影響(愛因斯坦方程式E=MC2)而對水星近日點歲差偏移、引力場下光線紅移、光線彎折等三種以往無法解釋的現象提出了完滿的解釋。並且至今為止,在天文學的觀測上,實驗數據與廣義相對論預測值的相符程度遠高於其他競爭理論。因此,很久以來,很少有人懷疑由廣義相對論對引力論述的正確性。

  如果說廣義相對論是現代物理學的兩大支柱之一,那麼,量子理論作為我們借此了解基本粒子以及凝聚態物理的基礎理論就是現代物理的另一支柱。量子力學從狄拉克建立了相對論性量子力學的狄拉克方程開始,擴充成量子場論的各種形式,可以成功地解釋了其他三種作用在微觀尺度的基本力,包括電磁力、原子核的強力與弱力的量子行為,其中僅剩下引力的量子性尚未能用量子力學來描述。

  簡言之,廣義相對論在大尺度結構(恆星、行星、銀河)上可以適用,量子力學則描述了其他三種作用在微觀尺度的基本力。它們的矛盾則是物質的量子化描述和時空的幾何化描述之間不具有相容性,包括理論發展,及細微的邏輯上的拉鋸戰。

  至今人類還沒能得到一個稱得上完整並自圓其說的量子引力理論。這個理論需要能夠對黑洞內部以及極早期宇宙的情形做出充分的描述,而其中的引力和相關的時空幾何需要用量子化的語言來敘述。一直以來很多個有潛質的候選理論正在發展,不過都各有問題需要解決,且都面臨無法從實驗上驗証理論預言的問題。至於2009年大熱的“霍扎瓦理論”,也隻有將其概念應用到廣義相對論的框架中,才具有將“嘗試”變成為“正式”的資格。

(責任編輯:劉然)
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