扎比內(nèi)·霍森菲爾德

譯/晨飛

20世紀(jì)90年代中葉，我學(xué)了數(shù)學(xué)。我的確不能肯定這一輩子想干什么，但是數(shù)學(xué)描述自然世界的能力讓我驚嘆不已。學(xué)了微分幾何和李氏代數(shù)之后，我參加了數(shù)學(xué)系組織的一個系列研討，討論基礎(chǔ)物理學(xué)里最大的問題：如何把引力量子化，然后將所有自然力統(tǒng)一在一個理論框架之下。該系列討論聚焦于賓夕法尼亞州立大學(xué)阿貝·阿西提卡倡導(dǎo)的新方法。這樣的討論我以前沒有參加過，所以給我的印象是問題已經(jīng)得到解決，只是消息還沒有傳開而已。

? ?在這團(tuán)星云的深處是一個快速旋轉(zhuǎn)的中子星， 它的名字叫PSRB1509—58，缺乏任何啟發(fā)性。中子星產(chǎn)生規(guī)則的射電脈沖，這種射電脈沖可以各種不同的方式來尋找引力的量子效應(yīng)。

這次研討好像顯然是純粹思想的一次勝利。比如說，數(shù)學(xué)上的一致性要求引導(dǎo)人們發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。如果沒有希格斯，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型就不會對粒子發(fā)生作用，粒子的碰撞發(fā)生在1萬億電子伏特的能量水平，完全在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的能標(biāo)范圍之內(nèi)。概率不再會增加到100%，在數(shù)學(xué)上不會有什么意義。因此，能量一旦被超越，應(yīng)該會出現(xiàn)新的東西。物理學(xué)家能夠想到的最簡單的可能性就是希格斯粒子，果不其然他們發(fā)現(xiàn)了。

20世紀(jì)二三十年代，愛因斯坦的狹義相對論與量子力學(xué)在數(shù)學(xué)上的不一致產(chǎn)生了量子場論，又在此基礎(chǔ)上建立了標(biāo)準(zhǔn)模型。狹義相對論和牛頓引力在數(shù)學(xué)上的矛盾產(chǎn)生了廣義相對論，這是當(dāng)前最先進(jìn)的引力論?，F(xiàn)在，物理學(xué)家要解決的就是標(biāo)準(zhǔn)模型與廣義相對論之間的矛盾。當(dāng)然，我們期待以量子引力論的形式解決這個矛盾，跟早期的情況同樣具有啟示性。

最有希望的想法來自一個完全沒有預(yù)期的方向。

隨著時間的推移，我了解到其他研究人員也開始運(yùn)用其他方法進(jìn)行研究，相信他們已經(jīng)接近于找到問題的答案。弦理論、圈量子引力、因果動力三角、漸進(jìn)安全引力、因果集，這些研究項目的實踐者也都確信他們能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)模型揭秘自然。他們之所以出現(xiàn)差異，不是因為數(shù)學(xué)推導(dǎo)中出現(xiàn)了錯誤，而是因為他們假設(shè)的出發(fā)點(diǎn)不同。數(shù)學(xué)是一種演繹工具，但是數(shù)學(xué)上的結(jié)論與其假設(shè)差不多，沒有優(yōu)劣之分。邏輯不足以用來確定物理理論，唯一的辦法是找出哪個理論描述了實驗性檢驗的性質(zhì)。

可是，采用不同方法的人彼此之間幾乎從來都不交流，即使交流，意見也不一致。而且為什么要一致呢？在缺乏實驗證據(jù)的情況下，沒有必須一致的道理。所以，數(shù)學(xué)就堆成了堆，文章寫了成千上萬篇，會議開了成百上千次?？墒?，沒有哪一種方法能夠拿出一個明確的方案，幾十年過去了還是沒有成功，尋找量子引力被懷疑的陰云籠罩。

20世紀(jì)90年代學(xué)術(shù)界出現(xiàn)過自相矛盾的情況，幾乎沒有人再去探討如何發(fā)現(xiàn)量子引力的觀察證據(jù)——這樣做被認(rèn)為是不可能的。量子引力效應(yīng)極其微弱，物理學(xué)家對探測到潛在的引力粒子——引力子——的概率進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)即使將木星大小的探測器送到圍繞一個中子星的環(huán)繞軌

道，發(fā)現(xiàn)的可能性仍然很小。

可是，直接探測到引力子難道是找到量子引力證據(jù)的唯一辦法嗎？這個問題一直縈繞在我的腦海。20世紀(jì)90年代后期，我轉(zhuǎn)而研究物理學(xué)。研究量子引力的多數(shù)物理學(xué)家仍然相信他們的數(shù)學(xué)最終會找到出路。我沒有那種信心?？墒俏乙矝]有過分悲觀，我不認(rèn)為量子引力無法通過實驗進(jìn)行研究。恰恰相反，我還是愿意相信在我的有生之年，通過實驗對引力量子化會成功的。

今天，搜尋量子引力實驗證據(jù)的人面臨一個獨(dú)特的研究難題：我們既沒有理論也沒有數(shù)據(jù)！可是，即便沒有一個普遍認(rèn)可的量子引力理論，我們?nèi)匀荒軌蛘{(diào)查各種候選理論里預(yù)期的量子引力的一般屬性。

比如說，有些理論認(rèn)為，時空是不連續(xù)的。如果是這樣的話，那就有缺陷，就像晶體有缺陷一樣，這些缺陷能改變光的軌跡，將遙遠(yuǎn)處類星體的圖像模糊化。有些理論提出，時空是一種基質(zhì)或流體，如果是這樣的話，就連真空都會有物質(zhì)屬性，比如黏度（像蜜那樣拖動自己）或擴(kuò)散性（使光色分離）。有些理論預(yù)測了廣義相對論中受到推崇的違反對稱，有些理論預(yù)言時空的量子波動能擾亂敏感的量子體系。我們可以搜尋所有這些。

如果整個地球都會發(fā)生那樣的事，那么從樹上掉落的蘋果就會同時有兩個方向。

大家已經(jīng)知道我們還什么也沒找到，否則就已經(jīng)有所風(fēng)聞了。但即使結(jié)果是零，對理論的發(fā)展也是有價值的指導(dǎo)。這些零結(jié)果能夠讓我們學(xué)到一些觀念，比如說，時空可能是個規(guī)則的架構(gòu)，根本沒法觀察。

當(dāng)然，如果有現(xiàn)實的信號那就會更令人激動。近年來，我們能夠識別幾種達(dá)到那個目標(biāo)的新現(xiàn)象。以原始引力波為例。早期宇宙里的這些小小的時空波動應(yīng)當(dāng)在宇宙微波背景輻射中留下了清晰的印記。2014年，BICEP2協(xié)作項目宣稱測量到了那個印記，雖然后來證明有誤，但是這并不意味著太空中沒有引力波，只意味著人們會花更大氣力去尋找。引力波的量子屬性將指導(dǎo)我們建造我們的模型。亞利桑那州立大學(xué)的勞倫斯·克勞斯和麻省理工學(xué)院的弗蘭克·維爾切克認(rèn)為，探測到原始引力波會說明引力必須量子化。他們的觀點(diǎn)過于單純，但是文森特·文寧和歐金尼奧·比安奇各自獨(dú)立著手，找到了微波背景數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，可以區(qū)分量子波動與非量子波動。

位于南極的B1CEP2望遠(yuǎn)鏡。原始引力波是量子引力的重要線索

然后就是黑洞。黑洞物理是量子引力的一個重要研究課題。在很長一段時間里，科學(xué)界一致認(rèn)為量子引力效應(yīng)只有靠近黑洞中心才會有重大意義，它標(biāo)志著黑洞的邊界，隱藏在事件視界背后，因此無法從外部測量。然而，在過去的幾年里，這種認(rèn)識發(fā)生了變化。比如說，一種理論觀點(diǎn)認(rèn)為黑洞周圍是一面“火墻”，一個物質(zhì)面，它會把落入的物質(zhì)全部毀滅。雖然我和一些科學(xué)家對這個觀點(diǎn)有疑問，但是這并非我們認(rèn)為量子引力效應(yīng)會出現(xiàn)于事件視界的唯一理由。

如果量子引力效應(yīng)真的出現(xiàn)于視野，那么觀察黑洞就能夠揭示有關(guān)量子引力的信息。長島大學(xué)的邁克爾·卡維奇提議尋找中子星環(huán)繞黑洞的二進(jìn)制系統(tǒng)。中子星發(fā)出射電波，如果它的波束在黑洞的事件視界留下了劃痕，我們觀察到的脈沖就會受到黑洞結(jié)構(gòu)的影響。圓周理論物理研究所的尼亞耶什·阿夫肖爾迪正在研究黑洞合并產(chǎn)生的引力波。等到新合并的黑洞塵埃落定時，量子效應(yīng)便會出現(xiàn)。

但是，最有希望的想法來自一個完全沒有預(yù)期到的方向。如果引力場能夠量子化，它就能表現(xiàn)出特色的量子行為，如疊加，在這種情況下，一個體系就同時處于不同狀態(tài)。

以量子行為（雙狹縫實驗）這個經(jīng)典模型為例：如果向屏幕發(fā)射一束電子，屏幕上撕開兩個縫，那么電子就會形成與眾不同的波形。要創(chuàng)造這個模式，每個電子都得同時通過兩個狹縫——這兩個通道是疊加的。但是，電子有質(zhì)量，質(zhì)量影響引力場。如果這個電子在量子疊加中，那么它的場也應(yīng)該在一個量子疊加中。這是一個非常奇怪的念頭。如果整個地球都會發(fā)生同樣的事，那么從樹上掉落的蘋果就會同時體驗兩個不同方向的不同引力場。這就說明量子力學(xué)與廣義相對論不能兼容，量子引力就是場疊加的固有屬性。

必須體驗的科學(xué)問題。

1923年，德國物理學(xué)家阿諾爾德·佐默菲爾德給他最優(yōu)秀的學(xué)生布置了一個專題博士論文。后來，他承認(rèn)“我不會再給我的學(xué)生出這種難度的題了”。

截至目前，誰也沒有看到論文中提出的效應(yīng)，因為單個電子的引力場太微弱，無法測量。然而，近年來，不同的實驗團(tuán)隊創(chuàng)造了更大物體的疊加，目前最先進(jìn)的大約是1納克。在維也納，馬庫斯·艾斯派梅爾及其團(tuán)隊著手研究一個很有野心的項目，即測量小至1毫克的質(zhì)量的牽引力。我們距離能夠測量量子物體引力場的日子已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

貝爾法斯特王后大學(xué)的莫羅·帕泰爾諾斯特羅及其合作者正在想法精準(zhǔn)確定哪些特征能區(qū)別量子化的引力場和非量子化的引力場。他們的方法聚焦于一個典型的量子屬性，即糾纏，確定物體的屬性相互關(guān)聯(lián)。試著考慮兩個物體的引力相互作用，它們之間的相關(guān)性將依賴于該場是否量子化。按照這種想法去做，如果要對這些關(guān)聯(lián)進(jìn)行測量，你就必須知道量子化是怎么回事。

科學(xué)要求實驗校驗，這已經(jīng)是舊聞了。古代許多哲學(xué)家夢想著內(nèi)省足以揭開自然之謎，不幸的是這個夢想仍然存在于研究量子引力的理論家中。最終，思想訓(xùn)練無論多么富有經(jīng)驗，在假說的選擇上總是歸結(jié)到美學(xué)或哲學(xué)傾向。量子引力方面的許多文獻(xiàn)都致力用一堆堆的數(shù)學(xué)把這些傾向埋沒。

從我第一次聽說量子引力已經(jīng)過了20年，這個領(lǐng)域的主流仍然依賴于數(shù)學(xué)上的一致性。但是，像我這樣研究通過實驗來檢驗量子引力可能性的人現(xiàn)在越來越多。而且數(shù)學(xué)方法的失敗越明顯，我們就越清楚唯一的出路是尋找實驗證據(jù)，無論多么艱難都得這么做。第一步只是解釋引力量子化。然后，我們就能夠開始探索引力現(xiàn)象的全范圍。這樣做就可以將量子引力從數(shù)學(xué)提升到物理學(xué)。

適合于物理學(xué)的東西也適合于工程學(xué)。我跟很多同事不同，認(rèn)為理解怎樣量子化引力將具有實用價值。這樣一個理論不僅幫助我們理解空間與時間，而且對理解一般的量子體系也有所助益。這將經(jīng)過一個漫長的過程，但是從亞里士多德的四大元素到今天的四大力就耗費(fèi)了我們2000年。如今我們已經(jīng)置身于這個長遠(yuǎn)規(guī)劃中了。