时间与空间的分离——新的量子理论颠覆爱因斯坦的时空观

关于一个量子引力理论的传言,该理论将空间和时间送回其牛顿根基

牛顿是对的,爱因斯坦是错的吗?似乎解开时空结构,回归19世纪的时间概念,可能会引向量子引力理论。

几十年来,物理学家们一直在努力将量子力学与引力结合起来。相比之下,自然界的其他力都顺从地各就各位。例如,电磁力可以用光子的运动在量子力学上进行描述。然而,尝试用量子引力子的术语来计算两个物体之间的引力,你会很快遇到麻烦——每个计算的答案都是无穷大。但现在,加州大学伯克利分校的物理学家彼得·霍拉瓦认为他理解了这个问题。他说,这一切都与时间有关。

更具体地说,问题在于时间在爱因斯坦的引力理论——广义相对论中与空间的联系方式。爱因斯坦推翻了牛顿关于时间是绝对的——在背景中稳定流逝的观念。相反,他认为时间是另一个维度,与空间交织在一起,形成一个可塑的结构,会被物质扭曲。问题在于,在量子力学中,时间保留了其牛顿式的超然性,为物质的舞蹈提供舞台,但永远不会受到物质存在的影响。这两种时间概念不相容。


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霍拉瓦说,解决方案是在极高能量下,例如在量子引力统治的早期宇宙中,剪断将时间与空间绑定的线。“我正在回到牛顿的观点,即时间和空间不是等价的,”霍拉瓦说。在低能量下,广义相对论从这个潜在的框架中浮现出来,时空结构重新缝合,他解释道。

霍拉瓦将这种涌现比作某些奇异物质改变相的方式。例如,在低温下,液氦的性质会发生巨大变化,变成可以克服摩擦的“超流体”。事实上,他已经采用了奇异相变的数学来构建他的引力理论。到目前为止,它似乎正在奏效:困扰其他量子引力理论的无穷大已被驯服,该理论吐出了一个表现良好的引力子。它似乎也与量子引力的计算机模拟相匹配。

自霍拉瓦在一月份提出该理论以来,它一直引起轰动,物理学家于十一月在安大略省滑铁卢的 Perimeter 理论物理研究所的一次会议上讨论了该理论。特别是,物理学家一直在检查该模型是否正确描述了我们今天看到的宇宙。当爱因斯坦预测水星的运动比牛顿的引力理论更准确时,广义相对论取得了决定性的胜利。

霍拉瓦引力能声称同样的成功吗?最初的初步答案是“可以”。里斯本大学的弗朗西斯科·洛博和他的同事们发现,它与行星的运动非常吻合。

其他人对霍拉瓦引力提出了更大胆的主张,尤其是在解释宇宙难题时,例如大爆炸的奇点,物理定律在那里失效。麦吉尔大学的宇宙学家罗伯特·布兰登伯格在八月出版的《物理评论 D》杂志上发表的一篇论文中认为,如果霍拉瓦引力是真的,那么宇宙并没有爆炸——而是反弹了。“一个充满物质的宇宙将收缩到一个小的——但有限的——大小,然后再次反弹出来,给我们今天看到的膨胀宇宙,”他说。布兰登伯格的计算表明,反弹产生的涟漪与卫星测量宇宙微波背景已经探测到的涟漪相匹配,他现在正在寻找可以区分反弹和大爆炸情景的特征。

东京大学的宇宙学家 Shinji Mukohyama 说,霍拉瓦引力也可能创造“暗物质的幻觉”。他在九月份的《物理评论 D》杂志上解释说,在某些情况下,霍拉瓦的引力子在与正常物质相互作用时会发生波动,使得引力比广义相对论中预期的拉力更大一些。这种效应可能会使星系看起来包含比可见物质更多的物质。如果这还不够,韩国全北国立大学的宇宙学家 Mu-In Park 认为,霍拉瓦引力也可能是宇宙加速膨胀的幕后推手,目前这归因于神秘的暗能量。对其起源的主要解释之一是,空旷的空间包含一些内在能量,将宇宙向外推。根据 Park 的说法,这种内在能量无法用广义相对论来解释,但自然而然地从霍拉瓦引力的方程式中跳出来。

然而,霍拉瓦的理论远非完美。洛桑瑞士联邦理工学院 (EPFL) 的量子引力研究员迭戈·布拉斯在仔细检查太阳系的计算时,发现了该理论中的“隐藏疾病”。布拉斯解释说,大多数物理学家都检查了理想情况,例如,假设地球和太阳是球体:“我们检查了更现实的情况,太阳几乎是球体,但又不完全是。”广义相对论在两种情况下都给出了几乎相同的答案。但在霍拉瓦引力中,现实情况给出了截然不同的结果。

布拉斯与同样在 EPFL 的谢尔盖·M·西比里亚科夫和日内瓦 CERN 的奥里奥尔·普霍拉斯一起,重新制定了霍拉瓦引力,使其重新与广义相对论保持一致。西比里亚科夫于九月在法国塔卢瓦尔的一次会议上介绍了该小组的模型。

霍拉瓦欢迎这些修改。“当我提出这个时,我并没有声称我已经有了最终的理论,”他说。“我希望其他人来检查它并改进它。”

CERN 的量子引力专家吉亚·德瓦利仍然持谨慎态度。几年前,他尝试了一个类似的技巧,打破时空以解释暗能量。但他放弃了他的模型,因为它允许信息的传递速度超过光速。

“我的直觉是,任何这样的模型都会有不希望看到的副作用,”德瓦利认为。“但如果他们找到一个没有副作用的版本,那么这个理论必须被认真对待。”

注意:本文最初印刷时的标题为“时间与空间的分离”。

Zeeya Merali 是一位居住在伦敦的自由撰稿人,也是《小房间里的大爆炸》(Basic Books,2017 年)的作者。

更多作者:Zeeya Merali
大众科学 Magazine Vol 301 Issue 6本文最初以 “时间与空间的分离——新的量子理论颠覆爱因斯坦的时空观” 为标题发表于 大众科学 Magazine 第 301 卷第 6 期 ()
doi:10.1038/scientificamerican122009-22jMBBgHJmwY7d7kE0kruR
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