关系性量子力学推开暗物质之门？

参考消息网11月9日报道 据英国《新科学家》周刊网站10月10日报道，物理学家卡洛·罗韦利为我们解释了关系性量子力学的奇异规则——物质本身并不存在——以及这如何能解锁基础物理学的重大进展。

罗韦利站在一个爆炸的棚屋前。墙壁碎片和支离破碎的物品——一辆儿童三轮车、一台唱片机、一只靴子的碎片——天女散花般悬挂在他身后。在伦敦泰特英国美术馆举办的展览上，我见到了这位物理学家和畅销书作家。他身后散落在空中的物件则出自英国最负盛名的当代艺术家之一科妮莉娅·帕克之手。帕克因善用日常物件打造大型装置艺术品而闻名。

探寻实相核心

在法国艾克斯-马赛大学教授罗韦利看来，帕克的作品富有深意，因为它反映了罗韦利对现实本质的理解。罗韦利对我说：“我理解这个过程：她产生想法，提出想法，告诉我们想法，然后我们对此作出反应。只用眼睛看，就不能理解科妮莉娅·帕克的作品，同样，我们也不能仅通过观察物体来了解现实。”　　

罗韦利提出了关系性量子力学这一概念，其要点是：物体无法独立于其他物体而存在。这个概念或许令人费解，因此帕克挑战现实的作品似乎充当了讨论这一概念和罗韦利到底有何意图的有益背景。帕克作品的名称是《冰冷的暗物质》，这是一个有趣的巧合，因为罗韦利现在认为，他知道我们最终该如何确定暗物质的真正属性。

罗韦利等物理学家试图解决的是科学界最深奥的一些问题。以与量子理论有关的谜题为例，它是我们通往亚原子世界的最佳指南。它描述称，粒子在与其他物质相互作用前，会同时处于多个可能的状态。如何理解这一点？而量子理论也很难与广义相对论——爱因斯坦的万有引力理论——兼容，因为这两种理论用来描述现实的数学框架彼此互不相容。

在剖析理论物理学家维尔纳·海森堡1925年的北海黑尔戈兰岛之旅时，罗韦利形成了对于如何解决此类问题的最新见解。在黑尔戈兰岛，海森堡致力于解决他的同辈埃尔温·薛定谔造成的混乱。薛定谔将量子物体——电子、中子、光子等——描述为以某种方式将自己展现为粒子的波。海森堡使用的纯粹是数学方法，他没有将物理描述用在任何单个实体上。

罗韦利欣赏这种方法，并以此为基础，最终在新近出版的《黑尔戈兰岛》一书中得出了一个鲜明的结论：量子物体没有独立的现实，而只是作为一种关系存在。

当我们站在画廊里，帕克的作品展现在我们面前，罗韦利做了进一步解释。他说：“我们发现，物质实相的核心不是粒子，而是关系。每个物体的定义都来自与其他物体相互作用的方式。因此，当它没有互动时，它就不存在。一个物体就是它影响周围其他物体的方式的集合——一个物体的存在是由其他物体映射出来的。”

揭开宇宙秘密

这一说法无从验证，但这并未困扰罗韦利。他说：“科学不只是可以直接验证的东西。它还涉及找到正确的概念框架。”换言之，罗韦利认为，尽管你可能无法光凭一把钥匙的外表来判断它是否能打开一把锁，但如果钥匙是对的，门自然会打开。在他看来，这种聚焦关系的思维方式可以揭开宇宙的秘密，或许最终能将量子理论与引力结合起来。他说：“我的主要工作是了解量子引力：时空的量子层面。我认为，通过研究关系的方式来理解量子力学的效果或许会更好。”

那么，暗物质从何而来呢？他说，通过将这种聚焦关系的观念应用于黑洞，或许能够揭示这个问题的答案。

斯蒂芬·霍金在上世纪70年代指出，黑洞会缓慢地释放辐射，失去质量，并最终从宇宙中消失。其结果是，它所吞噬的一切物质也必须消失，包括这些物质携带的所有信息。鉴于量子定律不允许信息从宇宙中凭空消失，物理学家称之为“黑洞信息悖论”。围绕究竟发生了什么以及该悖论就物理学深层定律提供了何种信息，他们进行了激烈的争辩。

罗韦利说，关系性量子力学让我们能够获得答案。他说：“我希望，以这种聚焦关系的方式来思考量子力学，能够让我们了解黑洞究竟发生了什么。”

罗韦利怀疑，在霍金提出的黑洞蒸发过程结束后，黑洞的残留物可能会演变成某种类似于暗物质的东西。当然，他还远不能确定这种说法是否正确，但这没关系。他说：“再优秀的科学家也永远无法打包票。”

对于可能出错一事，罗韦利沉稳面对，对于物理学的未来，他也持冷静乐观的态度，尽管许多人疾呼这门学科已经“触礁”。诚然，在寻找暗物质的过程中，我们近一个世纪来一直在遭遇失败，对量子物理学意义的质疑持续了一个多世纪，几十年来我们在寻找可行的量子引力理论方面也一无所获。但罗韦利说，物理学并没有“陷入停滞。我们正在取得巨大进展。我们了解了大量新的实验事实——例如，超对称并不存在”。

放弃终极理论

罗韦利说，对于一些量子引力理论而言，超对称——该假说认为，我们所了解的粒子存在尚未被探测到的镜像粒子——可能是个问题。在他看来，超对称粒子没有像一些人预测的那样出现在大型强子对撞机上恰恰是值得庆幸的。他表示，这是大自然向我们发出的信号，它在说：“好，好，你的直觉是对的，去吧！”

漫步于画廊，我们看到了帕克的另一件作品：用细线挂在半空中的一堆铜管乐器。每件乐器都被蒸汽压路机压平了。然而，灯光却让它们在墙壁上投射出熟悉的影子：如果只看影子，你无从得知这些乐器已被压平。这个充满令人不安和误导性视角的空间似乎很适合讨论人类对宇宙到底能了解多少这个宏观问题，因此我问罗韦利在有生之年我们能否看到对实相核心的全面描述。

对此，他并不乐观。他说：“我觉得，认为存在终极现实是没有道理的。从远处眺望森林，它只是一片绿色，但移步前行，你就会看到树木：它们是真实的。树干是真实的，树干中的原子也是真实的。现实就是所有这些事物的统一体：它们都是真实的，只不过我们要逐步加深对事物的理解。我们应该摆脱以下思维定式，即终极现实是物质、语言、上帝、心智或精神。”

同样，罗韦利对寻找“最终”理论也不屑一顾。他说：“我们不应该寻找终极理论；我们应该一次解决一个问题。不了解时空的量子特性？那就先研究这个。不了解黑洞？就先踏踏实实弄懂黑洞。”

他说，正是在这一次次的探寻中，我们的目标得到实现，每一个发现都为我们提供了更深层面的理解。他还说：“当然，我们对有些事还不太了解，比如心智如何运作。然而，不管我们认为人类是社会性、心理性还是化学性的存在，这些都是有趣的视角，且彼此之间并不矛盾。”