“后爱因斯坦时代”的引力量子化

引力量子化为什么十分重要？物理学家设想了引力量子化的科学问题，如何发现这一设想的意义和了解这一问题的答案？人们思首先考虑了引力量子化的理论背景，为什么要实现引力量子化？怎样找到引力量子化的路径和方法？或怎样找到开启引力量子化的“钥匙”？物理学家在引力量子化的领域使用了若干的概念和词汇，采用了若干策略。

科学研究涉及到提问的艺术，科学家时常是这些问题的回答者，既可以自己提问，也可以别人提问，他们在开始时还不能确定解决某个问题的答案，例如：为什么质子的质量为1.67 x 10的负27次方千克？可能有一个标准的答案，但哪一位科学家的答案更接近问题的真相？基本粒子的质量应该是它们拥有的那样，人们只是没有发现能够深入解释的线索。例如：自然的4种基本力也许相互独立，没有“统一场论”预期的大“拼块“，如果包括了引力在内的基本力彼此独立，那么大统一的“万物理论”似乎没有存在的必要。

量子引力理论有什么不同之处？为了消除这一理论与自然科学中已知定律的冲突和矛盾，物理学家积极寻求能够协调和化解冲突和矛盾的一种理论，在近代的引力定律和现代的量子力学之间寻求和解与平衡。引力理论和量子力学先后经历了充分发展，在物理学史上各自形成了严密而庞大的理论体系，两种形态的物理学在国民经济和人类生活领域得到了广泛应用，出版了一套接一套、一个版本续一个版本的教科书和科普读物。在过去的几个世纪，引力理论和量子力学得到无数次的检验，但当人们尝试将各自验证的理论体系放进统一的理论体系时却发现，“不能将两个鸡蛋放进一个篮子”。

一个有效的量子引力理论能够解决统一体系的失效问题，量子力学理论被应用到引力领域时，大统一理论将能消除两者背道而驰的排异性，量子引力理论为引力场赋予了不可预测的带有量子化特征的随机性和不确定性，可能存在发现量子引力的方法，人们在短期内难以找到。以双缝实验为例，从量子力学的观点看来，一个电子在同一时刻穿过了两道缝隙，在缝隙背后的检测屏幕上留下一个波状的干涉图案。

但电子既不是一个单独的波，也不是一个单独的粒子，相反，电子的状态由一种波函数进行描述，波函数是粒子和波交互作用的数学方程式。电子以量子叠加态的形式出现，它在这种条件下转化为粒子态，而在那种条件下转化为波态。电子在同一时刻出现在两个不同的地点，在双缝实验中同时穿过了右边和左边的缝隙，直到某种测量的影响使得电子表现了确定的状态，如果没有测量行为的影响，电子将保持叠加的状态，电子的不确定行为与人们的直觉无关，电子的“非理性”行为经过了反复的检验和核实。

“有理说不清”的波函数定义了粒子的奇异行为，在一种情形下，它表现了粒子的行为，在另一些情形下，它表现了波的行为。但电子在引力场如何表现？“轻如鸿毛”的电子有一丁点质量，而质量创造了引力场，当电子同时穿越左边和右边的缝隙时，自身的引力场随之穿过了两道缝隙，但广义相对论描述的引力场不容许，广义相对论不同于量子理论，电子在引力场的行为不同于波函数的描述，电子的引力场或者在这里，或者在那里，电子不可能将自身的引力同时拖动到两个位置。当电子穿越双缝时，量子理论不能描述引力的行为，但什么理论将会揭示引力的量子行为？

刚开始的时候，理论物理学家认为有一种简单的解决办法，仅仅需要修正一下广义相对论的描述，允许引力场在同一时刻出现在两个地方，物理学家布莱斯·德维特和理查德·费因曼在1960年代开发了一个“修正理论”，但是，他们很快就注意到这一理论仅仅在低能量的层级上有效，而在高能量层级上，当时空变得十分弯曲时，产生了荒谬的无限解，这种直接的简单化的量子化产生了荒谬的结果，仅仅能够作为一种更为复杂理论的“近似解”，更完美的复杂理论不应当遭遇无限解的棘手难题，这种完整的、完美的理论到目前为止仍然是未知数，不会因为近期引力波的发现而获得根本的突破，他们将这一“关荣与梦想”的理论称之为“量子引力”。

物理学家第一次将引力量子化的尝试失败了，他们找到了主要的原因，当引力变得非常强大时，方程式的解变得没有意义，好像当一个分数的分母变为零时，分数变得没有意义。为什么发生没有意义的情况？当超乎想象的能量被压缩到极小的时空区域时，现有的理论发生了“熔断机制”，没有一个完整的量子引力理论能够描述超乎想象的能量集中现象，物理学家还不能解释在黑洞内发生的物理过程，还不能解释早期宇宙诞生的大爆炸起点。

黑洞发生了信息丢失，这变成一个强烈的指示器，指明了建立量子引力理论的必要性。斯蒂芬·霍金在1974年发现在靠近黑洞视界的物质场产生了量子涨落现象，导致了粒子的产生，物理学家称之为“霍金辐射”，导致了黑洞丢失物质，黑洞收缩到一定程度时，可能什么也没有，好像一个庞大的帝国在历史长河中悄然消失了。在银河系和其它星系的黑洞辐射量极少，通过霍金辐射失去了极少物质而言，而通过吞噬周围的物体和气体得到了大量物质，但一旦宇宙充分冷却下来，宇宙膨胀使得黑洞辐射的过程变得不可避免，黑洞通过辐射逐渐蒸发，但持续数百亿、数千亿年时间。时间不会停止前行的脚步，黑洞终会消失，宇宙大地不再有徘徊的“黑洞幽灵”，到处充斥了近乎虚无的辐射。

除了温度，霍金辐射不包含任何信息，所有跌落到黑洞的信息在蒸发过程中不可避免地销毁了，自然和人类历史将不会留下任何的记忆和记录。量子理论的所有物理过程都可逆，至少在原理上如此，任何初期态的信息总能恢复，这类信息也许非常杂乱，不可辨识，比如：当人们烧毁了一本书，留下了烟尘和灰烬，但原则上说来，这些烟灰仍然包含了这本书的信息。

在黑洞发生的情形有所不同，一本穿越了黑洞视界的书将一去不复返，这与量子力学的基本原理相抵触，量子力学揭示了任何信息的可保存性。黑洞发生了信息的丢失，这没有影响到实际的观测和预测，但这一问题引起了物理学家的心理焦虑，它关乎理论体系的健全和完美，物理学家一而再、再而三地表达了理论的迫切性，通过量子引力理论解决黑洞的信息丢失难题，在非量子化的引力理论中，屡屡出现了不能解决的理论困境。

对非量子化的引力理论而言，黑洞和宇宙大爆炸存在难以克服的问题，它们的开始和结束都与一个奇点的产生相关，时空奇点似乎有无限的能量密度。其它理论也出现过相似的奇点概念，在所有的理论情形中，物理学家不得不承认，奇点的出现意味着这些理论的破产或终结，例如：流体力学方程式出现了奇点，这些方程式在低于原子尺寸的距离失去了作用，也许存在修正方程式失效的更为基本的理论，广义相对论的奇点概念给出了一个提示：爱因斯坦的理论不是万能的，它在奇点的世界变得不再适用，修正广义相对论可能开启“后爱因斯坦时代”。

很多物理学家相信，量子引力理论将为解决棘手的物理难题带来希望，比如：暗能量的性质，三种已知基本力的统一，它们分别是强力、电磁力和弱力。科学家经历了长时期的努力和探索，尽管有现代科学智慧和美丽心灵的完美结合，但引力的量子化问题在过去的80年仍然没有解决，科学家也许不需要下一个80年，引力波的发现是一个很好的例证。物理学家迄今没有找到引力量子化的答案，但他们没有放弃未来的努力和探索，始终相信问题答案的存在，好像很多物理学家一直相信太空引力波的存在，超乎想象的科学发现也许就在前方。

（编译：2016-2-25）