新理论声称将爱因斯坦引力与量子力学结合起来

2023-12-05 14:23:55深情的哈密瓜

伦敦大学学院(UCL)物理学家同时发表的两篇论文宣布了一种激进的理论,该理论始终将引力和量子力学统一起来,同时保留了爱因斯坦的经典时空概念。

新理论声称将爱因斯坦引力与量子力学结合起来

现代物理学建立在两大支柱之上:一方面是量子理论,它控制着宇宙中最小的粒子;另一方面是爱因斯坦的广义相对论,它通过时空的弯曲来解释引力。但这两种理论相互矛盾,一个多世纪以来一直难以达成和解。

普遍的假设是爱因斯坦的引力理论必须被修改或“量子化”,以适应量子理论。这是量子引力理论的两个主要候选者的方法:弦理论和圈量子引力。

但是,由乔纳森·奥本海姆教授(伦敦大学学院物理与天文学)提出并在《物理评论X》的一篇论文中提出的新理论挑战了这一共识,并采取了替代方法,表明时空可能是经典的,即不受量子控制根本没有理论。

该理论(被称为“经典引力的后量子理论”)并没有修改时空,而是修改了量子理论,并预测了由时空本身介导的可预测性的内在崩溃。这会导致时空发生随机剧烈的波动,其幅度比量子理论设想的要大,如果测量足够精确,物体的表观重量将变得不可预测。

第二篇论文由奥本海姆教授的前博士论文同时发表在《自然通讯》上。学生们研究了该理论的一些结果,并提出了一个实验来测试它:非常精确地测量质量,看看它的重量是否会随着时间的推移而波动。

例如,法国国际计量局通常称量1公斤的质量,这曾经是1公斤的标准。如果这1公斤质量的测量波动小于数学一致性所需的值,则可以排除该理论。

实验的结果,或者其他证实时空的量子与经典性质的证据,是奥本海姆教授、卡洛·罗维利教授和杰夫·佩宁顿博士(量子环的主要支持者)之间以5000:1的赔率打赌的主题。分别是引力理论和弦理论。

在过去的五年里,伦敦大学学院的研究小组一直在对该理论进行压力测试,并探索其后果。

奥本海姆教授说:“量子理论和爱因斯坦的广义相对论在数学上是互不相容的,因此了解如何解决这一矛盾非常重要。时空应该被量子化,还是我们应该修改量子理论,或者完全是另外一回事?现在我们有了一个一致的基本理论,其中时空不会被量子化,这是任何人的猜测。”

该研究的合著者扎克·韦勒-戴维斯(ZachWeller-Davies)是一名博士生。伦敦大学学院的学生帮助制定了实验方案,并对理论本身做出了关键贡献,他说:“这一发现挑战了我们对引力基本性质的理解,但也提供了探索其潜在量子性质的途径。

“我们已经证明,如果时空不具有量子性质,那么时空曲率必然存在随机波动,这种波动具有可以通过实验验证的特定特征。

“在量子引力和经典引力中,时空必须在我们周围经历剧烈和随机的波动,但其规模我们尚未能够检测到。但如果时空是经典的,波动必须大于一定的尺度,这个尺度可以通过另一个实验来确定,在这个实验中我们测试可以将一个重原子放在两个不同位置的叠加状态多长时间。”

共同作者卡洛·斯帕拉西亚里博士和芭芭拉·索达博士的分析和数值计算帮助指导了该项目,他们表示希望这些实验能够确定追求量子引力理论是否是正确的方法。

Šoda博士(原伦敦大学学院物理与天文学系,现在加拿大周界理论物理研究所)说:“由于重力是通过空间和时间的弯曲而显现出来的,所以我们可以从以下角度来思考这个问题:时间的流动具有量子性质,或经典性质。

“测试这一点几乎就像测试质量的重量是否恒定或以特定方式波动一样简单。”

Sparaciari博士(伦敦大学学院物理与天文学)说:“虽然实验概念很简单,但物体的称重需要极其精确。

“但令我兴奋的是,从非常普遍的假设开始,我们可以证明两个可测量量之间的明确关系——时空涨落的规模,以及原子或苹果等物体可以在两个不同位置的量子叠加中放置多长时间……然后我们可以通过实验确定这两个量。”

韦勒-戴维斯补充道:“如果原子等量子粒子能够弯曲经典时空,则必须存在微妙的相互作用。原子的波动性与时空随机波动需要多大之间必须存在根本性的权衡。”。

通过寻找质量的随机涨落来测试时空是否经典的提议与另一个实验提议相补充,该提议旨在通过寻找所谓的“引力介导纠缠”来验证时空的量子性质。

苏加托·玻色(SougatoBose)教授(伦敦大学学院物理与天文学)并未参与今天的宣布,但他是最早提出纠缠实验的人之一,他说:“测试时空本质的实验将需要大规模的努力,但它们从理解自然基本规律的角度来看,这是非常重要的。我相信这些实验是可以实现的——这些事情很难预测,但也许我们会在未来20年内知道答案。”

后量子理论的影响超出了引力。量子理论中臭名昭著且有问题的“测量假设”是不需要的,因为量子叠加必然通过它们与经典时空的相互作用来定位。

该理论的动机是奥本海姆教授试图解决黑洞信息问题。根据标准量子理论,进入黑洞的物体应该以某种方式辐射回来,因为信息不能被破坏,但这违反了广义相对论,广义相对论说你永远无法知道穿过黑洞事件视界的物体。由于可预测性的根本崩溃,新理论允许信息被破坏。

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