12 月 5 日消息,现代物理学建立在两大支柱上,其一是量子理论,控制着宇宙中最小的粒子;另一个是爱因斯坦的广义相对论,它通过时空弯曲来解释引力。不过两种理论互相矛盾,在过去一个多世纪以来,物理学家不断探索调和两种理论。
物理学家在探索过程中也衍生出了各种假说,认为爱因斯坦的引力理论必须被修改或“量子化”,才能适应量子理论,并以此衍生了引力量子理论、弦理论和环量子引力等。
伦敦大学学院物理与天文学系的乔纳森・奥本海姆(Jonathan Oppenheim)教授提出的一项新理论,两项相关成果发表在《物理评论 X》(PRX)上。
这项新理论称为“经典引力的后量子理论”(postquantum theory of classical gravity),在保留了爱因斯坦的经典时空概念同时,统一了引力学和量子力学。
在介绍该理论之前,先介绍下爱因斯坦的经典时空概念。爱因斯坦认为,时间并不独立存在的一种实体,而是和空间紧密耦合在一起的伴生品,即所谓的宇宙时空。
在爱因斯坦的广义相对论中,宇宙时空是一个四维结构,除了三维的长宽高外第四个维度就是时间,爱因斯坦还证明了时间是相对的,不同环境下的时间流逝速度也不一样,甚至每个人感觉到到的时间都不一样。
这项新的理论认为时空可能是经典的,不受量子理论的支配。该理论修改了量子理论,预测了由时空本身介导的可预测性的内在崩溃。
这导致时空的随机和剧烈波动,其波动比量子理论所设想的要大,如果测量得足够精确,物体的表观重量是不可预测的。
第二篇论文同时发表于 自然通讯 在奥本海姆教授以前的博士生的带领下,他研究了该理论的一些后果,并提出了一个实验来测试: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,并以此作为 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波动,则可以排除该理论。
研究证明,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,这种波动具有可通过实验验证的特定特征。
附上论文参考地址:
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https://www.ucl.ac.uk/oppenheim/pub/quantum_vs_classical_bet.pdf
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Oppenheim, J., Sparaciari, C., Šoda, B. et al. Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity. Nat Commun 14, 7910 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43348-2
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