量子引力需要的是更多的实验

扎比内·霍森菲尔德

译/晨飞

20世纪90年代中叶，我学了数学。我的确不能肯定这一辈子想干什么，但是数学描述自然世界的能力让我惊叹不已。学了微分几何和李氏代数之后，我参加了数学系组织的一个系列研讨，讨论基础物理学里最大的问题：如何把引力量子化，然后将所有自然力统一在一个理论框架之下。该系列讨论聚焦于宾夕法尼亚州立大学阿贝·阿西提卡倡导的新方法。这样的讨论我以前没有参加过，所以给我的印象是问题已经得到解决，只是消息还没有传开而已。

   在这团星云的深处是一个快速旋转的中子星， 它的名字叫PSRB1509—58，缺乏任何启发性。中子星产生规则的射电脉冲，这种射电脉冲可以各种不同的方式来寻找引力的量子效应。

这次研讨好像显然是纯粹思想的一次胜利。比如说，数学上的一致性要求引导人们发现了希格斯玻色子。如果没有希格斯，粒子物理的标准模型就不会对粒子发生作用，粒子的碰撞发生在1万亿电子伏特的能量水平，完全在大型强子对撞机的能标范围之内。概率不再会增加到100%，在数学上不会有什么意义。因此，能量一旦被超越，应该会出现新的东西。物理学家能够想到的最简单的可能性就是希格斯粒子，果不其然他们发现了。

20世紀二三十年代，爱因斯坦的狭义相对论与量子力学在数学上的不一致产生了量子场论，又在此基础上建立了标准模型。狭义相对论和牛顿引力在数学上的矛盾产生了广义相对论，这是当前最先进的引力论。现在，物理学家要解决的就是标准模型与广义相对论之间的矛盾。当然，我们期待以量子引力论的形式解决这个矛盾，跟早期的情况同样具有启示性。

最有希望的想法来自一个完全没有预期的方向。

随着时间的推移，我了解到其他研究人员也开始运用其他方法进行研究，相信他们已经接近于找到问题的答案。弦理论、圈量子引力、因果动力三角、渐进安全引力、因果集，这些研究项目的实践者也都确信他们能够运用数学模型揭秘自然。他们之所以出现差异，不是因为数学推导中出现了错误，而是因为他们假设的出发点不同。数学是一种演绎工具，但是数学上的结论与其假设差不多，没有优劣之分。逻辑不足以用来确定物理理论，唯一的办法是找出哪个理论描述了实验性检验的性质。

可是，采用不同方法的人彼此之间几乎从来都不交流，即使交流，意见也不一致。而且为什么要一致呢？在缺乏实验证据的情况下，没有必须一致的道理。所以，数学就堆成了堆，文章写了成千上万篇，会议开了成百上千次。可是，没有哪一种方法能够拿出一个明确的方案，几十年过去了还是没有成功，寻找量子引力被怀疑的阴云笼罩。

20世纪90年代学术界出现过自相矛盾的情况，几乎没有人再去探讨如何发现量子引力的观察证据——这样做被认为是不可能的。量子引力效应极其微弱，物理学家对探测到潜在的引力粒子——引力子——的概率进行了评估，发现即使将木星大小的探测器送到围绕一个中子星的环绕轨

道，发现的可能性仍然很小。

可是，直接探测到引力子难道是找到量子引力证据的唯一办法吗？这个问题一直萦绕在我的脑海。20世纪90年代后期，我转而研究物理学。研究量子引力的多数物理学家仍然相信他们的数学最终会找到出路。我没有那种信心。可是我也没有过分悲观，我不认为量子引力无法通过实验进行研究。恰恰相反，我还是愿意相信在我的有生之年，通过实验对引力量子化会成功的。

今天，搜寻量子引力实验证据的人面临一个独特的研究难题：我们既没有理论也没有数据！可是，即便没有一个普遍认可的量子引力理论，我们仍然能够调查各种候选理论里预期的量子引力的一般属性。

比如说，有些理论认为，时空是不连续的。如果是这样的话，那就有缺陷，就像晶体有缺陷一样，这些缺陷能改变光的轨迹，将遥远处类星体的图像模糊化。有些理论提出，时空是一种基质或流体，如果是这样的话，就连真空都会有物质属性，比如黏度（像蜜那样拖动自己）或扩散性（使光色分离）。有些理论预测了广义相对论中受到推崇的违反对称，有些理论预言时空的量子波动能扰乱敏感的量子体系。我们可以搜寻所有这些。

如果整个地球都会发生那样的事，那么从树上掉落的苹果就会同时有两个方向。

大家已经知道我们还什么也没找到，否则就已经有所风闻了。但即使结果是零，对理论的发展也是有价值的指导。这些零结果能够让我们学到一些观念，比如说，时空可能是个规则的架构，根本没法观察。

当然，如果有现实的信号那就会更令人激动。近年来，我们能够识别几种达到那个目标的新现象。以原始引力波为例。早期宇宙里的这些小小的时空波动应当在宇宙微波背景辐射中留下了清晰的印记。2014年，BICEP2协作项目宣称测量到了那个印记，虽然后来证明有误，但是这并不意味着太空中没有引力波，只意味着人们会花更大气力去寻找。引力波的量子属性将指导我们建造我们的模型。亚利桑那州立大学的劳伦斯·克劳斯和麻省理工学院的弗兰克·维尔切克认为，探测到原始引力波会说明引力必须量子化。他们的观点过于单纯，但是文森特·文宁和欧金尼奥·比安奇各自独立着手，找到了微波背景数据的分析结果，可以区分量子波动与非量子波动。

位于南极的B1CEP2望远镜。原始引力波是量子引力的重要线索

然后就是黑洞。黑洞物理是量子引力的一个重要研究课题。在很长一段时间里，科学界一致认为量子引力效应只有靠近黑洞中心才会有重大意义，它标志着黑洞的边界，隐藏在事件视界背后，因此无法从外部测量。然而，在过去的几年里，这种认识发生了变化。比如说，一种理论观点认为黑洞周围是一面“火墙”，一个物质面，它会把落入的物质全部毁灭。虽然我和一些科学家对这个观点有疑问，但是这并非我们认为量子引力效应会出现于事件视界的唯一理由。

如果量子引力效应真的出现于视野，那么观察黑洞就能够揭示有关量子引力的信息。长岛大学的迈克尔·卡维奇提议寻找中子星环绕黑洞的二进制系统。中子星发出射电波，如果它的波束在黑洞的事件视界留下了划痕，我们观察到的脉冲就会受到黑洞结构的影响。圆周理论物理研究所的尼亚耶什·阿夫肖尔迪正在研究黑洞合并产生的引力波。等到新合并的黑洞尘埃落定时，量子效应便会出现。

但是，最有希望的想法来自一个完全没有预期到的方向。如果引力场能够量子化，它就能表现出特色的量子行为，如叠加，在这种情况下，一个体系就同时处于不同状态。

以量子行为（双狭缝实验）这个经典模型为例：如果向屏幕发射一束电子，屏幕上撕开两个缝，那么电子就会形成与众不同的波形。要创造这个模式，每个电子都得同时通过两个狭缝——这两个通道是叠加的。但是，电子有质量，质量影响引力场。如果这个电子在量子叠加中，那么它的场也应该在一个量子叠加中。这是一个非常奇怪的念头。如果整个地球都会发生同样的事，那么从树上掉落的苹果就会同时体验两个不同方向的不同引力场。这就说明量子力学与广义相对论不能兼容，量子引力就是场叠加的固有属性。

必须体验的科学问题。

1923年，德国物理学家阿诺尔德·佐默菲尔德给他最优秀的学生布置了一个专题博士论文。后来，他承认“我不会再给我的学生出这种难度的题了”。

截至目前，谁也没有看到论文中提出的效应，因为单个电子的引力场太微弱，无法测量。然而，近年来，不同的实验团队创造了更大物体的叠加，目前最先进的大约是1纳克。在维也纳，马库斯·艾斯派梅尔及其团队着手研究一个很有野心的项目，即测量小至1毫克的质量的牵引力。我们距离能够测量量子物体引力场的日子已经不远了。

贝尔法斯特王后大学的莫罗·帕泰尔诺斯特罗及其合作者正在想法精准确定哪些特征能区别量子化的引力场和非量子化的引力场。他们的方法聚焦于一个典型的量子属性，即纠缠，确定物体的属性相互关联。试着考虑两个物体的引力相互作用，它们之间的相关性将依赖于该场是否量子化。按照这种想法去做，如果要对这些关联进行测量，你就必须知道量子化是怎么回事。

科学要求实验校验，这已经是旧闻了。古代许多哲学家梦想着内省足以揭开自然之谜，不幸的是这个梦想仍然存在于研究量子引力的理论家中。最终，思想训练无论多么富有经验，在假说的选择上总是归结到美学或哲学倾向。量子引力方面的许多文献都致力用一堆堆的数学把这些倾向埋没。

从我第一次听说量子引力已经过了20年，这个领域的主流仍然依赖于数学上的一致性。但是，像我这样研究通过实验来检验量子引力可能性的人现在越来越多。而且数学方法的失败越明显，我们就越清楚唯一的出路是寻找实验证据，无论多么艰难都得这么做。第一步只是解释引力量子化。然后，我们就能够开始探索引力现象的全范围。这样做就可以将量子引力从数学提升到物理學。

适合于物理学的东西也适合于工程学。我跟很多同事不同，认为理解怎样量子化引力将具有实用价值。这样一个理论不仅帮助我们理解空间与时间，而且对理解一般的量子体系也有所助益。这将经过一个漫长的过程，但是从亚里士多德的四大元素到今天的四大力就耗费了我们2000年。如今我们已经置身于这个长远规划中了。