兩大理論的統一

現代物理學有兩大支柱：一個是量子理論，另一個是愛因斯坦的廣義相對論。

宇宙中的所有物質都遵循量子理論的定律，但我們只有在原子和分子的尺度上才能真正觀察到量子行為。根據量子理論，粒子遵循不確定性原理，我們永遠不可能同時精確知曉它們的位置和速度。事實上，在進行測量它們之前，它們甚至沒有一個確切的位置或速度。此外，像電子這樣的粒子可以表現得更像波，並且幾乎可以同時出現在許多地方。更準確地說，物理學家將粒子描述為處於不同位置的「疊加」狀態。從半導體到鐳射，從超導到放射性衰變，量子理論支配著一切。

另一方面，廣義相對論將引力描述為時空彎曲的結果。它告訴我們，像太陽這樣的大質量天體會使時空結構彎曲，從而導致地球繞其旋轉。廣義相對論不僅預言了黑洞的形成，也告訴了我們時間在空間的不同點以不同的速率流逝。我們今天在生活中用到的全球定位系統正是因為考慮到了這一點，才能夠精確定位。

儘管這個兩個理論都非常成功，但它們似乎在時空的本質上存在根本性的分歧：量子波動方程是定義在一個固定的時空上的，但廣義相對論認為時空是動態的，它會根據物質的分佈而呈現出彎曲。在過去的一百多年裡，將這兩個理論統一，是許多物理學家的夢想。

想要實現這種統一有兩種策略：要麼將引力量子化，要麼找到一種方法將量子物質融入經典引力的框架中。物理學家普遍認為，愛因斯坦的引力理論需要被修正，或者說需要被「量子化」，以適應量子理論。弦理論和圈量子引力論是量子引力理論的兩種主要的候選，但目前，它們都沒有被實驗證實，而這也為其他的策略留下了機會。

一個混合的理論

在一篇於近期發表在《物理評論X》的研究中，物理學家Joanthan Oppenheim就提出了一個混合的理論：將引力視為一個經典理論同時，通過使用一種概率機制使它與量子理論耦合。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

長期以來，學界普遍認為從邏輯上看，引力不可能是經典的。20世紀50年代，理查德·費曼（Richard Feynman）設想了一種可以闡明這個問題的情況：他的設想始於一個處於兩個不同位置的疊加態的大質量粒子，這些不同的位置可以是著名的雙縫實驗中的兩條狹縫。

在這個實驗中，粒子也具有波的行為，它可以在狹縫的另一邊產生明暗相間的干涉圖樣，從而使得我們無法知道它穿過了哪一個狹縫。人們常將粒子描述為同時穿過了兩個狹縫。但由於粒子有質量，它可以產生一個能夠被測量的引力場，而引力場可以透露它的位置。

如果引力場是經典的，那麼我們就可以無限精確地測量它，進而推斷出粒子的位置，並確定它穿過了的是哪個狹縫。如此一來，就產生了一個矛盾的情況：干涉圖樣告訴我們，我們無法確定粒子穿過的是哪一個狹縫；但是經典的引力場則告訴我們，這是可以做到的。

然而，如果引力場是量子的，就不存在這樣的矛盾了——不確定性會在測量引力場時悄然出現，因此我們在確定粒子的位置時仍然存在不確定性。

但費曼的論證有一個漏洞，這個漏洞可以使「引力是經典的」也成立。目前，我們之所以能知道粒子的路徑，是因為它產生了一個確定的引力場，這個引力場使時空彎曲，進而讓我們得以確定粒子的位置。

但是，如果粒子和時空之間的相互作用是隨機的，或者說不可預測的，那麼就意味著測量引力場並不總是能確定粒子穿過了哪個狹縫，因為引力場可能處於許多狀態中的一種。這種隨機性的存在，可以消除這種矛盾。

Oppenheim原本是一名弦理論學家。但很快，他就對弦理論學家為解決黑洞資訊悖論（現代物理學中最臭名昭著的問題之一）所做的複雜數學運算而感到不適。

根據標準量子理論，進入黑洞的物體應該以某種方式輻射出來，因為資訊不能被毀滅，但這違反了廣義相對論——根據廣義相對論，我們永遠不可能知道穿過黑洞事件視界的物體的資訊。

Oppenheim和他的學生構建了一個完全相容的理論。在這個理論中，量子系統與經典時空相互作用。只需要稍微修改一下量子理論，再稍微修改一下經典的廣義相對論，以允許所需可預測性的失效。而由於可預測性的失效，那麼我們就永遠不知道被扔進黑洞的是什麼了。

現代版卡文迪什實驗

那麼，我們能夠通過實驗來解決引力是否是量子化的問題嗎？

在Oppenheim的另一篇同時發表在《自然通訊》上的論文中，他與合作者提出了一個現代版本的「卡文迪什實驗」——它計算了兩個鉛球之間的引力強度。假如引力場真如量子-經典混合理論所認為的那樣是隨機的，那麼當我們試圖測量它的強度時，就無法總是得到相同的答案。引力場會四處搖擺，任何認為引力是經典的理論，都將具有一定程度的引力噪聲。

引力究竟是經典的，還是量子的，只有通過不斷的探索，我們才可能接近那個夢寐以求的答案。

#創作團隊：

文：小雨

#參考來源：

https://www.ucl.ac.uk/news/2023/dec/new-theory-seeks-unite-einsteins-gravity-quantum-mechanics

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.041040

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2

https://www.quantamagazine.org/the-physicist-who-bets-that-gravity-cant-be-quantized-20230710/

#圖片來源：

封面圖/首圖：Isaac Young‍