物理学家们提出了⼀种新的⽅法来解决⼏乎有⼀个世纪历史的未解之谜——将万有引⼒和量⼦物理相结合。这个新思路是由伦敦⼤学学院量⼦理论教授乔纳森·奥本海姆提出的。他将这个理论命名为“后量⼦引⼒”。现在这位奥本海姆教授和他的合作者们宣称他们的理论不仅可以将量⼦物理和万有引⼒联系在⼀起,还可以解释暗物质和暗能量。奥本海姆教授致⼒于解决量⼦物理和万有引⼒之间的⽭盾。量⼦物理⼀般被我们认为是⼀种不确定性理论。
它其中包含有随机性和内在的不确定性,这限制了我们可以对物理世界进⾏了解和操纵的范围。我们通常存在⼀些误区,那就是认为量⼦物理中的粒⼦“可以同时出现在两个不同的地⽅”,但是量⼦物理的数学结果告诉我们强调这些粒⼦存在于某⼀个特定位位置并没有任何意义,这些粒⼦并不处在任何⼀个位置上。另⼀⽅⾯,引⼒可以通过爱因斯坦的⼴义相对论描述。它对每⼀个事件⽤⼀组时空坐标来标记。
这个理论是确定性的,未来的轨迹能够根据过去的情况推断得到,⽽唯⼀的不确定性来⾃于我们对情况的⽆知。因此这个理论并不能描述量⼦物理中具有⾮确定性的粒⼦的⾏为。通过修改引⼒理论同样可以解释暗物质。⽬前物理学界已经存在很多想统⼀两种理论的尝试,并创⽴了量⼦引⼒理论。⽬前最著名的建⽴统⼀理论的尝试包括弦理论,圈量⼦引⼒和渐近安全引⼒。
⼈们更少尝试的⽅法是将引⼒作为⼀个⾮量⼦理论——正如物理学家们所说的,⼀个“经典”的理论——来处理,或者改变量⼦物理学的⼀些东⻄。罗杰·彭罗斯教授认为,因为万有引⼒的存在,我们才不会像观察微观粒⼦那样,在宏观尺度的不同位置观察到同⼀个宏观物体。
但是这个以及其他类似观点并没有很好地得到验证,主要是因为量⼦物理对微观粒⼦的随机跳跃的描述与我们的实验观察⾮常相符,⽽万有引⼒理论却⽆法与粒⼦的这些⾏为相融洽。奥本海姆教授的新理论解决了这个问题。在他的理论框架下,万有引⼒是⾮量⼦的,但是具有随机性。这种后量⼦引⼒的随机性并⾮来⾃其他任何东⻄,⽽是其基础属性——这个属性是理论的出发点。
这就像量⼦⼒学中的随机性并⾮来⾃其他任何因素⼀样——它是基础的,只是⾃然的⼀种属性。奥本海姆教授的理论的创新之处在于,他找到了⼀种能够将两种随机性的数学结合到⼀个框架中的⽅法。在后量⼦理论中,万有引⼒仍然是⾮量⼦的,微观粒⼦仍然是量⼦的。然⽽,这两个领域是相互联系的,因为粒⼦具有引⼒,⽽引⼒反过来⼜影响粒⼦。在奥本海姆的理论中,这种联系不会产⽣⽭盾,因为这两种随机性能够相互融合。
反过来,两者的⾃洽性也微妙地改变了量⼦物理和万有引⼒。在最新的⼀篇还未得到同⾏评议的论⽂中,奥本海姆教授和他的共同作者伦敦⼤学学院的研究⽣安德烈娅·鲁索表示,这种随机性改变了引⼒定律,由此避免了引⼊暗物质和暗能量的需求。暗物质和暗能量是天体物理学家为了宇宙中可能存在的两类假想成分引⼊的术语。这两者都从未被直接观察到过。天体物理学家只是通过宇宙星系的引⼒效应间接推导出它们的存在。
天体物理学家们通过引⼊暗物质来解释诸如星系旋转速度⽐预期快,引⼒透镜⽐预期强等问题。同时,他们也引⼊了暗能量来解释为什么宇宙不仅在扩张,⽽且扩张速度还在增加——没有任何符合当前物理框架的物质或能量能够做到这⼀点。对暗物质,也许可能还包括暗能量,的另⼀种解释是:引⼒理论需要得到修正。
我们不需要在⾮常宏观的尺度上对理论进⾏修正——这⾏不通,因为星系的⼤⼩千差万别,我们在离星系中⼼的不同距离的位置都观察到了暗物质的明显影响。相反,事实证明,在恒星的加速度⾮常⼩的情况下我们才需要对引⼒定律进⾏修正——这正是奥本海姆教授和鲁索在他们的后量⼦引⼒理论中所发现的。问题就这样解决了?这些在低加速度下对爱因斯坦引⼒的修正被称为修正⽜顿动⼒学理论(MOND)。
这种在低加速度下的修正可被等效看作是暗物质的原因是,恒星的平均加速度取决于引⼒的强度。如果你靠近⼀个⾏星或恒星,那么你会明显感受到来⾃这些物体的引⼒。如果你将其解释为⼀种⼒,那么这个⼒就会导致⼀个加速度。你离⼤质量物体越远,加速度就越⼩。然⽽,当⼀个恒星距离其星系的中⼼越远时,受到的总体引⼒就越⼩,因为星系的⼤部分质量都集中在星系的中⼼。
最终我们会推导得到,如果我们假设引⼒在⼩加速度的情形下会变强,就可以不通过引⼊暗物质解释⽬前科学界所观测到的现象。简⽽⾔之,这就是修正⽜顿动⼒学(MOND)的思想。奥本海姆表示,当他和同事们在研究引⼒的随机性对引⼒定律的影响时,他们发现了类似的现象:物体的加速度越⼩,受到的万有引⼒固有的随机性的影响就越⼤。他们推导出了⼀个与⽜顿引⼒势相关的⽅程,这个⽅程与⽜顿的万有引⼒定律相似。
⽜顿引⼒势可被⽤于推导引⼒的⼤⼩。然⽽,这个⽅程并⾮与⽜顿定律完全相同,并且⽅程的解包含⼀些额外的项。他们发现,⽅程的解中包含的额外项似乎与修正⽜顿动⼒学(MOND)所提出的内容相似:⽅程解的额外的项表明星系要旋转得更快。更重要的是,他们表示,⽅程解中的⼀个项看起来就等效于暗能量的作⽤。⽽修正⽜顿动⼒学本身并不考虑暗能量,因此,这确实是⼀项令⼈瞩⽬的成就。
但是在这项最新的研究中,他们只将研究重点放在了星系的⾏为上,因此他们还没有表明修正⽜顿动⼒学的解中代表最简单类型的暗能量的额外项(⼀个宇宙常数)确实会导致宇宙膨胀。关于这⼀点,他们提到了⼀篇“正在准备的论⽂”中可能会回答相应的问题,所以我们将来可能会了解到更多关于这⽅⾯的内容。然⽽,根据我⾃⼰的经验,正确地引出暗能量并没有那么困难。
从笔者的⻆度出发,笔者仍然认为这并不是最终的答案原因是他们得到的⽅程太简单了。笔者怀疑这个⽅程可能只适⽤于解决单个星系的运动问题,⽽⽆法适⽤于多个星系。这是因为天体物理学家们观察到,如果我们将多个星系的数据结合起来分析,那么⼀些可观测的属性——如旋转速度和亮度——是彼此相关的。修正⽜顿动⼒学(MOND)能够解释这些相关性,⽽暗物质则不能。在我看来,这正是MOND相对于暗物质的⼀⼤优势。
然⽽,从后量⼦引⼒理论推导出的⽅程似乎并不能很好地解释这属性的相关性。也就是说,笔者认为随着研究的进⼀步深⼊,他们会发现后量⼦引⼒理论并不能达到预期效果。