从量子中窥探宇宙的奥秘

来源：中科院物理所

作者：SABINE HOSSENFELDER

翻译：K.Collider

审校：利有攸往

原文链接：The end of the Dark Universe

物理学家们提出了一种新的方法来解决几乎有一个世纪历史的未解之谜——将万有引力和量子物理相结合。请原谅我的兴奋，但类似的事情已经四十多年没有发生了。这个新思路是由伦敦大学学院量子理论教授乔纳森·奥本海姆提出的。他将这个理论命名为“后量子引力”。

现在这位奥本海姆教授和他的合作者们宣称他们的理论不仅可以将量子物理和万有引力联系在一起，还可以解释暗物质和暗能量。“大伙们，我们可能为物理学做了件大事，”奥本海姆在他的社交媒体账号上这样写道。“我们的研究结果表明，可以在没有暗物质或暗能量的情况下解释宇宙膨胀和星系自转。”

奥本海姆教授致力于解决量子物理和万有引力之间的矛盾。量子物理一般被我们认为是一种不确定性理论。它其中包含有随机性和内在的不确定性，这限制了我们可以对物理世界进行了解和操纵的范围。我们通常存在一些误区，那就是认为量子物理中的粒子“可以同时出现在两个不同的地方”，但是量子物理的数学结果告诉我们强调这些粒子存在于某一个特定位置并没有任何意义，这些粒子并不处在任何一个位置上。

另一方面，引力可以通过爱因斯坦的广义相对论描述。它对每一个事件用一组时空坐标来标记。这个理论是确定性的，未来的轨迹能够根据过去的情况推断得到，而唯一的不确定性来自于我们对情况的无知。因此这个理论并不能描述量子物理中具有非确定性的粒子的行为。

通过修改引力理论同样可以解释暗物质

目前物理学界已经存在很多想统一两种理论的尝试，并创立了量子引力理论。目前最著名的建立统一理论的尝试包括弦理论，圈量子引力和渐近安全引力。人们更少尝试的方法是将引力作为一个非量子理论——正如物理学家们所说的，一个“经典”的理论——来处理，或者改变量子物理学的一些东西。

我们可以为大家举一个例子。罗杰·彭罗斯教授认为，因为万有引力的存在，我们才不会像观察微观粒子那样，在宏观尺度的不同位置观察到同一个宏观物体。但是这个以及其他类似观点并没有很好地得到验证，主要是因为量子物理对微观粒子的随机跳跃的描述与我们的实验观察非常相符，而万有引力理论却无法与粒子的这些行为相融洽。

奥本海姆教授的新理论解决了这个问题。在他的理论框架下，万有引力是非量子的，但是具有随机性。这种后量子引力的随机性并非来自其他任何东西，而是其基础属性——这个属性是理论的出发点。这就像量子力学中的随机性并非来自其他任何因素一样——它是基础的，只是自然的一种属性。

奥本海姆教授的理论的创新之处在于，他找到了一种能够将两种随机性的数学结合到一个框架中的方法。在后量子理论中，万有引力仍然是非量子的，微观粒子仍然是量子的。然而，这两个领域是相互联系的，因为粒子具有引力，而引力反过来又影响粒子。在奥本海姆的理论中，这种联系不会产生矛盾，因为这两种随机性能够相互融合。反过来，两者的自洽性也微妙地改变了量子物理和万有引力。

在最新的一篇还未得到同行评议的论文中，奥本海姆教授和他的共同作者伦敦大学学院的研究生安德烈娅·鲁索表示，这种随机性改变了引力定律，由此避免了引入暗物质和暗能量的需求。

暗物质和暗能量是天体物理学家为了宇宙中可能存在的两类假想成分引入的术语。这两者都从未被直接观察到过。天体物理学家只是通过宇宙星系的引力效应间接推导出它们的存在。天体物理学家们通过引入暗物质来解释诸如星系旋转速度比预期快，引力透镜比预期强等问题。同时，他们也引入了暗能量来解释为什么宇宙不仅在扩张，而且扩张速度还在增加——没有任何符合当前物理框架的物质或能量能够做到这一点。

对暗物质，也许可能还包括暗能量，的另一种解释是：引力理论需要得到修正。我们不需要在非常宏观的尺度上对理论进行修正——这行不通，因为星系的大小千差万别，我们在离星系中心的不同距离的位置都观察到了暗物质的明显影响。相反，事实证明，在恒星的加速度非常小的情况下我们才需要对引力定律进行修正——这正是奥本海姆教授和鲁索在他们的后量子引力理论中所发现的。

问题就这样解决了？

这些在低加速度下对爱因斯坦引力的修正被称为修正牛顿动力学理论(MOND)。这种在低加速度下的修正可被等效看作是暗物质的原因是，恒星的平均加速度取决于引力的强度。如果你靠近一个行星或恒星，那么你会明显感受到来自这些物体的引力。如果你将其解释为一种力，那么这个力就会导致一个加速度。你离大质量物体越远，加速度就越小。

然而，当一个恒星距离其星系的中心越远时，受到的总体引力就越小，因为星系的大部分质量都集中在星系的中心。最终我们会推导得到，如果我们假设引力在小加速度的情形下会变强，就可以不通过引入暗物质解释目前科学界所观测到的现象。简而言之，这就是修正牛顿动力学（MOND）的思想。

奥本海姆表示，当他和同事们在研究引力的随机性对引力定律的影响时，他们发现了类似的现象：物体的加速度越小，受到的万有引力固有的随机性的影响就越大。他们推导出了一个与牛顿引力势相关的方程，这个方程与牛顿的万有引力定律相似。牛顿引力势可被用于推导引力的大小。然而，这个方程并非与牛顿定律完全相同，并且方程的解包含一些额外的项。他们发现，方程的解中包含的额外项似乎与修正牛顿动力学（MOND）所提出的内容相似：方程解的额外的项表明星系要旋转得更快。更重要的是，他们表示，方程解中的一个项看起来就等效于暗能量的作用。而修正牛顿动力学本身并不考虑暗能量，因此，这确实是一项令人瞩目的成就。

但是在这项最新的研究中，他们只将研究重点放在了星系的行为上，因此他们还没有表明修正牛顿动力学的解中代表最简单类型的暗能量的额外项（一个宇宙常数）确实会导致宇宙膨胀。关于这一点，他们提到了一篇“正在准备的论文”中可能会回答相应的问题，所以我们将来可能会了解到更多关于这方面的内容。然而，根据我自己的经验，正确地引出暗能量并没有那么困难。（我也有一个模型可以解释暗物质和暗能量，只是没人关心它。）

从笔者的角度出发，笔者仍然认为这并不是最终的答案

原因是他们得到的方程太简单了。笔者怀疑这个方程可能只适用于解决单个星系的运动问题，而无法适用于多个星系。这是因为天体物理学家们观察到，如果我们多个星系的数据结合起来分析，那么一些可观测的属性——如旋转速度和亮度——是彼此相关的。修正牛顿动力学（MOND）能够解释这些相关性，而暗物质则不能。在我看来，这正是MOND相对于暗物质的一大优势。然而，从后量子引力理论推导出的方程似乎并不能很好地解释这属性的相关性。也就是说，笔者认为随着研究的进一步深入，他们会发现后量子引力理论并不能达到预期效果。

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