来自 《自然》 杂志。
一项基于相对简单计算的分析，是否能为调和现代理论物理学中最成功但又固执地不同的两个分支指明方向？弗兰克·维尔切克和他的合作者们希望如此。
调和量子力学（处理基本粒子的行为）与爱因斯坦的广义相对论（用弯曲时空描述引力）的任务已被证明是一项巨大的挑战。其中一个困难是，当粒子所处的时空发生剧烈变化时（例如，在黑洞诞生时被认为会发生的剧烈变化），这两种理论都无法充分描述粒子会发生什么。但在10月15日发布在 arXiv 预印本服务器上的一篇论文中（A. D. Shapere等 http://arxiv.org/abs/1210.3545; 2012），三位理论物理学家提出了一种直接的方法，使量子粒子可以从一种“拓扑空间”平稳地移动到一种非常不同的拓扑空间。
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该分析没有明确地模拟引力，因此不是试图建立一个将广义相对论和量子力学置于同一框架下的“量子引力”理论。相反，包括麻省理工学院（MIT）的诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克在内的作者认为，他们的工作可能为理解引力对量子粒子的影响提供一个简化的框架，也可以描述量子粒子在其中运动的空间可以发生根本性改变的其他情况，例如在凝聚态物理实验中。“我非常兴奋，”维尔切克说，“我们必须看看我们能把它推到多远。”
这个想法之所以引起人们的关注，不仅是因为其可能的应用范围，还因为它基于大学本科水平的数学。“他们的论文从最基本的框架开始，”纽约哥伦比亚大学的弦理论家布莱恩·格林说。“他们不用花哨的机制就能取得如此大的进展，这令人鼓舞。”
维尔切克和他的合著者建立了一个假设系统，其中一个量子粒子沿着一根突然分裂成两根的导线运动。这种简化的场景实际上是一维版本的遭遇时空撕裂的情况，当时空的拓扑结构发生根本性变化时就会发生时空撕裂。理论家们专注于导线的端点处会发生什么——为与粒子相关的量子波的之前和之后的状态设置“边界条件”。然后，他们证明，当边界条件从一种几何结构转变为另一种不兼容的几何结构时，波可以连续演化，而不会遇到任何中断。“你可以平稳地跟踪这个过程，”论文的合著者、肯塔基大学列克星敦分校的阿尔·沙佩尔说，他补充说，就像魔术师的戒指一样，这种转变不可能可视化，但确实有数学意义。
格林说，逃避此类转变引起的数学难题的愿望是弦理论的动机之一，弦理论允许时空拓扑结构的平稳变化。他认为，维尔切克、沙佩尔和麻省理工学院本科生熊兆熙开发的方法也可以应用于弦理论。
尽管维尔切克最初认为这个结果是新的，但纽约雪城大学的艾亚拉姆·巴拉钱德兰在 1995 年发表的一篇论文中提出了一种类似的策略来描述量子力学中拓扑结构的变化（A. P. Balachandran等《核物理 B》446, 299–314; 1995）。巴拉钱德兰承认他的工作没有成为主流，并表示他希望维尔切克的论文能促使其他人仔细研究。“解决这个问题的传统方法并没有取得太大的进展，”他说。“这开辟了一种新的技术。”
该框架还可能为从事凝聚态研究的实验人员提供灵感。加拿大滑铁卢周界理论物理研究所的弦理论家罗布·迈尔斯说，他预计它将与一个名为量子淬灭的领域相关，在量子淬灭中，量子系统在与环境隔离的情况下演化，然后通过实验人员的动作使其失去平衡。凝聚态物理学家已经开发了几种量子系统——包括冷原子阱和超导电路——可用于测试这个想法。
尽管作者仅在一维情况下阐述了他们的解决方案，但迈尔斯预计，这种方法将很容易推广到描述三维的真实实验。但他警告说，这篇论文仅代表了第一步。“要真正看到这项工作的影响，还需要一段时间，”他说。