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        量子理論和萬有引力

        2011-08-10 08:46:26劉巖
        飛碟探索 2011年7期
        關(guān)鍵詞:理論質(zhì)量

        ■ 劉巖

        源于20世紀(jì)初的二大理論——相對(duì)論和量子理論在深層次上是不兼容的,以至于到了20世紀(jì)80年代,人們懷疑這二大理論或許只有一個(gè)是完備的。是選擇相對(duì)論,還是量子理論?答案傾向于量子理論,人們相信20世紀(jì)80年代關(guān)于貝爾不等式的判決性實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持量子理論,但是,采用量子理論描述宏觀世界卻又是無能為力的,特別是采用量子理論將萬有引力量子化。

        依據(jù)量子理論,傳遞相互作用的中介物質(zhì)都被劃歸為玻色子,它們的自旋是整數(shù),并且其質(zhì)量的大小與傳遞的相互作用成反比。傳遞短程相互作用的玻色子質(zhì)量都較大,而傳遞長程相互作用的玻色子靜止質(zhì)量都為零,包括傳遞引力作用的引力子,以及傳遞電磁相互作用的光子。

        這里面一個(gè)顯而易見的悖論出現(xiàn)了,依據(jù)量子理論,引力的傳遞者引力子的質(zhì)量為零才可能傳引力作用為長程作用,但是,沒有質(zhì)量的粒子又如何和質(zhì)量發(fā)生耦合呢?

        顯然,用量子理論處理萬有引力,永遠(yuǎn)繞不開這個(gè)悖論。

        其實(shí),早在20個(gè)世紀(jì)30年代,愛因斯坦就認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問題,所以,愛因斯坦自始至終都認(rèn)為引力作用是一種空間的幾何效應(yīng),與物質(zhì),或者質(zhì)量的構(gòu)成元素是無關(guān)的。

        使愛因斯坦相信可以繞過量子理論而揭示引力本質(zhì)的思想來自于愛因斯坦超人的科學(xué)洞察力,那就是,僅僅靠宏觀的物理表象就可以觸及深層次的物理本質(zhì)。這一理念的最好注釋就是愛因斯坦在1905年“奇跡年”發(fā)表的另一篇統(tǒng)計(jì)力學(xué)論文,論文通過對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)力學(xué)描述,揭示出了物質(zhì)由原子構(gòu)成的這一事實(shí)可謂經(jīng)典。該文沒有量子理論的任何東西,但是,卻從布朗運(yùn)動(dòng)這種宏觀物理現(xiàn)象揭示出了物質(zhì)由原子構(gòu)成這一事實(shí),更令人稱奇的是,這種統(tǒng)計(jì)力學(xué)的解釋甚至還預(yù)言出了原子的大小。

        所以,對(duì)科學(xué)的超人的洞察力使愛因斯坦相信,揭示引力的根源,不需要涉及描述物質(zhì)組成的性質(zhì)的理論——量子理論。

        從技術(shù)上講,愛因斯坦的設(shè)想更為現(xiàn)實(shí)。從空間結(jié)構(gòu)出發(fā)揭示引力的本源可以繞開物理學(xué)中的一個(gè)最為棘手的問題——質(zhì)量的來源,無論是過去,還是當(dāng)代的量子理論,都沒有搞清楚質(zhì)量的來源,甚至不知道質(zhì)量的來源是由什么賦予的。人們總是設(shè)法將物質(zhì)一層一層地深入剝離,從原子到質(zhì)子,中子,再到夸克。物質(zhì)的亞微觀結(jié)構(gòu)在一層一層深入下去,但是總是不見到底是什么場,或者什么粒子賦予任何以質(zhì)量。

        所以,想靠量子理論給出引力本源的答案似乎遙無盡頭。

        而引力的宏觀特征早在牛頓時(shí)代就被揭示出來了,如果能更深入至空間結(jié)構(gòu)探索引力本源,就如同愛因斯坦通過布朗運(yùn)動(dòng)揭示出原子的存在那樣,似乎可以更加便捷地繞開“質(zhì)量本源”這個(gè)似乎永無答案的疑團(tuán)。

        “引力理論和量子理論水和油一樣不相溶”是霍金在20世紀(jì)90年代發(fā)出的感嘆,這個(gè)感嘆的背后事實(shí)上昭示了引力本源的探索方向的選擇。選擇用量子理論的語言描述引力作用,漸入絕境。

        那么,僅從空間的結(jié)構(gòu)出發(fā)揭示引力的本質(zhì)可行嗎?答案是肯定的,愛因斯坦已經(jīng)那樣做了,并且做得非常成功——廣義相對(duì)論就是這樣的一個(gè)理論。

        可否在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上,通過引入對(duì)空間結(jié)構(gòu)的微分幾何分析找出超越相對(duì)論的一個(gè)更新的引力理論?這個(gè)問題前景應(yīng)該是有希望的,因?yàn)?,無論物質(zhì)由什么亞微觀粒子構(gòu)成,它總是要存在于空間之中,總是要與空間相互作用,它們和空間相互作用的宏觀物理現(xiàn)象背后一定隱藏了引力的奧秘。

        所以,當(dāng)代的物理學(xué)家們似乎不必為引力的量子化描述的失敗而痛心,而該換一個(gè)角度,不妨從空間的微分幾何結(jié)構(gòu)出發(fā),也許可以找出引力作用的物理本源。

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