最新理论突破！通过引入额外维度，“模糊引力”理论有望统一量子力学与广义相对论
文摘
科学
2024-09-10 17:25
北京
为了找到能够描述所有基本作用力的量子引力理论，物理学家提出了“模糊引力”理论。这一理论认为，时空并非连续体，而是由离散的点组成的网格。向这个网格添加额外维度会导致其他场和粒子的出现。
文 | 陈强
视觉设计 | 李梅
量子引力理论是物理学中最具挑战性的前沿课题之一，旨在将量子力学和广义相对论统一起来。量子力学描述了微观粒子的行为，而广义相对论描述了宏观尺度下的引力。尽管这两个理论在各自的领域内取得了巨大的成功，但将它们统一起来的努力往往会导致荒谬的预测和明显与现实相悖的结果。这两个理论的核心矛盾在于对时空本质的不同描述。广义相对论将时空视为平滑连续的几何体，而量子力学则揭示了在微观尺度下，时空存在剧烈的量子涨落。这种量子涨落破坏了时空的平滑性，导致广义相对论无法正确描述微观尺度下的引力。解决这个难题的一种常见方法是用一种新的引力理论来代替广义相对论。这种新的引力理论在宏观尺度上应该与爱因斯坦的理论预测相一致，但在微观尺度上能够更准确地描述引力。物理学家提出了很多新的引力理论，其中之一就是所谓的“模糊引力”（fuzzy gravity）理论。模糊引力理论认为，时空并不是连续的，而是由无数个离散的点组成的网格。在这种网格中，这些点之间的关系是非交换的，这意味着空间坐标的相乘顺序会影响结果。这与我们通常理解的几何学不同，在传统几何中，矩形的面积无论是以长度乘以宽度还是以宽度乘以长度都是相同的。模糊引力理论虽然能够对微观尺度下的引力进行描述，但也存在着许多缺陷。最大的问题是，它不能对其他基本作用力（电磁力、强核力和弱核力）以及构成物质的夸克、电子等基本粒子进行描述。一个真正基本的量子引力理论必须包含所有这些方面。为了解决这个问题，希腊雅典国立理工大学的物理学家在模糊引力理论中引入了额外维度。这一想法并不是全新的，早在20世纪初，德国数学家西奥多·卡鲁扎（Theodor Kaluza）和瑞典物理学家奥斯卡·克莱因（Oskar Klein）就提出了类似的概念。这两位科学家认为，通过引入一个额外的空间维度，电磁力和引力似乎能够统一起来。在模糊引力理论中，物理学家发现，如果时空多了一个额外的、离散的、非交换的空间维度，那么这些维度之间的相互作用就会产生一些场和基本粒子。而且，这些场和基本粒子与现实中观察到的非常相似。现在，物理学家正在做进一步的理论研究，来探索模糊引力理论能否解释自然界中所有已知的基本粒子和基本作用力。与其他许多量子引力理论一样，模糊引力理论只有在极小的尺度（大约为普朗克长度，约为10-35米）上才会显著偏离广义相对论。这一尺度比大型强子对撞机所能探测的最小尺度小了大约20个数量级。因此，目前想要用实验来验证模糊引力理论是极为困难的。尽管如此，物理学家希望能找到一种更可行的方法，来探测引力量子效应。一些物理学家认为，对单摆、悬浮物体或自由落体的精确测量，有可能揭示引力量子效应。如果能够实现这样的实验，也许就有可能对模糊引力理论进行验证。参考文献：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/prop.202400126
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