2021-01-10 11:32:04

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量子引力,又称量子重力,是描述对重力场进行量子化的理论,属于万有理论之一隅;主要尝试结合广义相对论与量子力学,为当前的物理学尚未解决的问题。

当前主流尝试理论有:超弦理论、圈量子引力理论、声学类比模型。

基本信息

  • 中文名称

    量子引力

  • 外文名称

    quantum gravity

  • 又称

    量子重力

  • 释义

    描述对重力场进行量子化的理论

  • 学科

    物理

折叠 编辑本段 基本概念

折叠 名词定义

物质的量子化描述和时空的几何化描述之间彼此不具有相容性,以及广义相对论中时空曲率无限大(意味着其结构成为微观尺度)的奇点的出现,这些都要求着一个完整的量子引力理论的建立。这个理论需要能够对黑洞内部以及极早期宇宙的情形做出充分的描述,而其中的引力和相关的时空几何需要用量子化的语言来叙述。尽管物理学家为此做出了很多努力,并有多个有潜质的候选理论已经发展起来,至今人类还没能得到一个称得上完整并自洽的量子引力理论。

一个卡拉比-丘流形的投影,由弦论所提出的紧化额外维度的一种方法量子场论作为粒子物理的基础已经能够描述除引力外的其余三种基本相互作用,但试图将引力概括到量子场论的框架中的尝试却遇到了严重的问题。在低能区域这种尝试取得了成功,其结果是一个可被接受的引力的有效(量子)场理论,但在高能区域得到的模型是发散的(不可重整化)。

圈量子引力中的一个简单自旋网络

试图克服这些限制的尝试性理论之一是弦论,在这种量子理论中研究的最基本单位不再是点状粒子,而是一维的弦。弦论有可能成为能够描述所有粒子和包括引力在内的基本相互作用的大统一理论,其代价是导致了在三维空间的基础上生成六维的额外维度等反常特性。在所谓第二次超弦理论革新中,人们猜测超弦理论,以及广义相对论与超对称的统一即所谓超引力,能够构成一个猜想的十一维模型的一部分,这种模型叫做M理论,它被认为能够建立一个具有唯一性定义且自洽的量子引力理论

折叠 理论体系

物理学中未解决的问题: 如何将量子力学与广义相对论/引力现象合并在一起,并且在微观长度等级下维持正确性?任何候选的量子引力理论能提供什么样可证实的预测呢?

引力在经典描述下,是由爱因斯坦于1916年建立的广义相对论成功地描述,透过质量对于时空曲率的影响(爱因斯坦方程)而对水星近日点岁差偏移、引力场下光线红移、光线弯折等三种问题提出了完满的解释,并且至今为止在天文学的观测上,实验数据与广义相对论预测值的相符程度远高于其他竞争理论。由广义相对论描述经典引力的正确性很少有人怀疑。

折叠 应用范围

另一方面,量子力学从狄拉克建立了相对论性量子力学的狄拉克方程开始,扩充成量子场论的各种形式。其中包括了量子电动力学与量子色动力学,成功地解释了四大基本力中的三者--电磁力原子核的强力与弱力的量子行为。其中仅剩下引力的量子性尚未能用量子力学来描述。除了一方面对于引力粒子(引力子)的量子描述未能达成之外,两个成功的理论在根本架构上也有冲突之处:量子场论的架构是建构在狭义相对论的平坦时空下之基本力的粒子场上。如果要投过这种相同模式来对引力场进行量子化,则主要问题会发生在广义相对论的弯曲时空架构,无法一如以往透过重整化的数学技巧来达成量子化描述,亦即引力子会互相吸引,而当把所有反应加总常会得到许许多多的无限大值,没办法用数学技巧得到有意义的有限值;相对地,例如量子电动力学中对于光子的描述,虽然仍会出现一些无限大值,但为数较少可以透过重整化方法可以将之消除,而得到实验上可量到的、具有意义的有限值。

折叠 编辑本段 基本观点

折叠 引力论

理论物理巨擘所写对于引力意义采相反看法的两本书,很有趣地几乎同时发表于1970年代早期。出现了这样的僵局使得理查·费因曼(其对于使量子引力获得了解曾做过重要的尝试)在1960年代早期给太太的一封信中,绝望地写道:"提醒我不要再参加任何一个引力会议。"

站在这两种论点的前缘,(时至2005年)一个发展出弦论,而另一个发展出圈量子引力论

折叠 历史观点

历史上,对于量子理论与要求背景独立的广义相对论两者明显的矛盾曾出现过两种反应。

第一种是广义相对论所采的几何诠释并非究竟,而只是一个未知的背景相依理论的近似表现。举例来说,这在史蒂芬·温伯格的经典教科书《引力与宇宙学》里面被明白表示过。

另外相抗衡的观点是背景独立是基础性质,而量子力学需要被一般化,改写成一个没有缺省特定时间的理论。这样的几何观点在米斯纳、惠勒与索恩三人合写的经典著作《引力论》中详述过。

折叠 不兼容性

量子力学与广义相对论间的不兼容

理论物理上最深奥的问题之一是调和广义相对论--描述引力并且在大尺度结构(恒星、行星、银河)上可以适用,以及量子力学--描述其他三种作用在微观尺度的基本力。

广义相对论中重要的一课教导了我们没有固定的时空背景,而在牛顿力学与狭义相对论则有出现;时空几何是动态的。虽然在原则上容易掌握,这却是广义相对论中最难了解的概念,而且它所带来的结果是相当深远的,也没完全地探索完,即使仅就经典层级而言。就某种程度而言,广义相对论可以视作是一种关系理论,在这样的理论中,物理上唯一要紧的讯息是时空中不同事件彼此间的关系。

另一方面,量子力学则有赖于固定背景,既然它是从固定背景(非动态的)结构中起家的。在量子力学中,时间是开始就给定而且非动态的,恰如牛顿的经典力学一般。在相对论性量子场论中,一如在经典场论中,闵可夫斯基时空是理论的固定背景。最后,弦论是从扩充量子场论出发的,其中点粒子代之以弦样物体,在固定时空背景中做传递。虽然弦论的起源是在夸克局束(quark confinement)研究方面而不是在量子引力方面,很快就发现弦的频谱包括了引力子,而且弦的几种特定振动模式的"凝聚"等价于对原始背景的修改。

处在弯曲(非闵可夫斯基式)背景下的量子场论,虽然并非引力的量子理论,亦显示了量子场论中的一些假设无法被延伸到弯曲时空中,完善的量子引力理论就更不用提了。特别地说,真空-当它存在时-被指出和观察者所经过的时空路径有相依性(见盎鲁效应)。此外,场概念看起来比粒子概念还要来得基本(粒子概念被认为是描述局部相互作用的方便法)。后者观点是有争议性的,和史蒂芬·温伯格的著作《量子场论》在闵可夫斯基空间中所发展出的量子场论相矛盾。

折叠 实验结果

至于透过实验的检验,很遗憾的,量子引力所探讨的能量与尺度乃是实验室条件下无法观测得到的,有些学者提出一些观点可能可以透过天文学上的观测来检验,但仍属少数特例。因此希望从实验观测得到一些关于量子引力理论发展上的提示,现阶段仍属不可行。

推导量子引力理论的一般方法是假设这个等待发掘的理论会是简单优雅的,然后回头看看现前的理论,找寻对称性及提示以想办法优雅地合并它们成为一个更加普适的理论。这方法的一项问题是没人可以肯定量子引力是否会是一个简单优雅的理论。

需要这样理论的理由是为了要了解一些涉及庞大质量或能量以及很小尺度的空间的问题,例如黑洞的行为,以及宇宙的起源

折叠 编辑本段 相关理论

循环量子引力是建构背景独立量子理论的努力成果。拓扑量子场论提供了背景独立量子场论的一例,但其没有局部的自由度而仅有有限个全局自由度。如此要描述3+1维的引力则显得不足;按照广义相对论,即使在真空,引力也有局部自由度。然而在2+1维,引力就可以是拓扑场论,而其也被成功地透过多种方法进行量子化,包括自旋网络的方法。

此外尚有三处量子力学与广义相对论的拉锯战。首先,广义相对论预言了自己在奇点会失效,而量子力学在奇点附近则会和广义相对论格格不入。二者,对于该怎么决定一颗粒子的引力场并不清楚;既然在量子力学的海森堡不确定原理下,粒子的位置与速度无法同时确知。最后一处的拉锯战并非逻辑上的矛盾,其涉及了"量子力学造成贝尔不等式的违反"(暗示有超光速的影响)与"相对论中光速作为速限"这两者间的困境。前两点的解决之道可能出自对于广义相对论有更好的了解。

折叠 相关关系

如果说广义相对论是现代物理学的两大支柱之一,那么量子理论作为我们借此了解基本粒子以及凝聚态物理的基础理论就是现代物理的另一支柱。然而,如何将量子理论中的概念应用到广义相对论的框架中仍然是一个未能解决的问题。

弯曲时空中的量子场论

作为现代物理中粒子物理学的基础,通常意义上的量子场论是建立在平直的闵可夫斯基时空中的,这对于处在像地球这样的弱引力场中的微观粒子的描述而言是一个非常好的近似。而在某些情形中,引力场的强度足以影响到其中的量子化的物质但不足以要求引力场本身也被量子化,为此物理学家发展了弯曲时空中的量子场论。这些理论借助于经典的广义相对论来描述弯曲的背景时空,并定义了广义化的弯曲时空中的量子场理论。通过这种理论,可以证明黑洞也在通过黑体辐射释放出粒子,这即是霍金辐射,并有可能通过这种机制导致黑洞最终蒸发。如前文所述,霍金辐射在黑洞热力学的研究中起到了关键作用。

折叠 其它理论

另外一种尝试来自于量子理论中的正则量子化方法。应用广义相对论的初值形式(参见上文演化方程一节),其结果是惠勒-得卫特方程(其作用类似于薛定谔方程)。虽然这个方程在一般情形下定义并不完备,但在所谓阿西特卡变量的引入下,从这个方程能够得到一个很有前途的模型:圈量子引力。在这个理论中空间是一种被称作自旋网络的网状结构,并在离散的时间中演化。

取决于广义相对论和量子理论中的哪些性质可以被接受保留,并在什么能量量级上需要引入变化,对量子引力的尝试理论还有很多,例如动力三角剖分、因果组合、扭量理论以及基于路径积分的量子宇宙学模型。

所有这些尝试性候选理论都仍有形式上和概念上的主要问题需要解决,而且它们都在面临一个共同的问题,即至今还没有办法从实验上验证量子引力理论的预言,进而无法通过多个理论之间某些预言的不同来判别其正确性。在这个意义上,量子引力的实验观测还需要寄希望于未来的宇宙学观测以及相关的粒子物理实验逐渐成为可能。

折叠 相关领域

现有为数不少的量子引力理论被提出来:

弦论/超弦/M理论

超引力

反得西特空间(AdS)/共形场论(CFT)

惠勒-得卫特方程

圈量子引力

欧几里得量子引力

非交换性几何

扭量

离散洛仑兹式量子引力

沙克哈洛夫式感应引力

Regge 算子

声学度规(声学类比模型)及其他的引力类比模型

过程物理学

温伯格-威滕定理(在量子场论中有则温伯格-威滕定理,对于复合引力/涌现引力方面的理论施加了一些约束条件)

折叠 相关研究

量子引力研究者列表

阿贝·阿希提卡(Abhay Ashtekar)-阿希提卡变量发明者。循环量子引力理论的创建者之一。

John Baez-引介自旋泡沫观念的数学物理学家.

约翰·巴瑞特(John Barrett)-数学物理学家,协助开发量子引力中的巴瑞特-克瑞恩模型。

Julian Barbour-哲学家;《The End of Time》、《Absolute or Relative Motion?》与《The Discovery of Dynamics》作者。

马丁·玻久华德(Martin Bojowald)-开创将循环量子引力理论应用到宇宙学的物理学家。

史帝夫·卡利普(Steve Carlip)-3维量子引力专家。

路易斯·克瑞恩(Louis Crane)-数学物理学家,协助开发量子引力中的巴瑞特-克瑞恩模型。

大卫·芬可斯坦(David Finkelstein)-物理学家,对量子相对论(quantum relativity)与其逻辑基础贡献良多。

Rodolfo Gambini-协助引介循环量子引力理论的物理学家;《循环、结、规范理论与量子引力》共同作者。

盖瑞·吉本斯(Gary Gibbons)-曾对黑洞做出重要贡献的物理学家。

布莱恩·格林(Brian Greene)-物理学家,镜对称现象发现者之一,弦论普及者,哥伦比亚大学教授

詹姆斯·哈妥(James Hartle)-协助开发宇宙之哈妥-霍金波函数的物理学家。

史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)-剑桥大学卢卡斯讲座教授,为黑洞专家,亦是黑洞辐射的发现者。协助开发宇宙之哈妥-霍金波函数。

Christopher Isham-关注于量子引力中观念性问题的物理学家。

泰德·贾寇柏森(Ted Jacobson)-协助开发循环量子引力理论的物理学家。

Renate Loll-研究循环量子引力理论的物理学家,and more recently helped develop the causal dynamical triangulations approach to quantum gravity.。

Fotini Markopoulou-Kalamara-物理学家,于循环量子引力理论与自旋网络这些领域中,研究将因果律列入考量的模型。

罗杰·潘洛斯(Roger Penrose)-发明自旋网络与扭量理论的数学物理学家。

久治·普林(Jorge Pullin)-协助开发循环量子引力理论的物理学家;《循环、结、规范理论与量子引力》共同作者。

卡洛·罗威利(Carlo Rovelli)-循环量子引力理论创建者之一与主要贡献者。

李·施莫林(Lee Smolin)-循环量子引力理论创建者之一与主要贡献者。

拉菲尔·索金(Rafael Sorkin)-物理学家,量子引力中因果集(causal set)方法的主要支持者。

安蒂·斯楚明格(Andrew Strominger)-物理学家,主要研究弦论。

汤玛斯·帖曼(Thomas Thiemann)-物理学家,主要研究循环量子引力理论。

爱德华·维腾(Edward Witten)-首席数学物理学家,主要研究弦论与M理论。

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