爱因斯坦错了吗？新时空理论动摇相对论王座

美国趣味科学网站5月24日发表题为《爱因斯坦错了吗？为什么一些天体物理学家质疑时空理论》的文章，作者是科林·斯图尔特。

全文摘编如下：

基础理论难以调和

最初，我们曾认为地球是太阳系的中心，这种想法存在了1000多年。然后，哥白尼站出来说，假如我们只是一颗绕着太阳转的行星，整个系统就会简单多了。尽管一开始有很多反对意见，但随着新发明的望远镜提供不计其数的证据，古老的地心说最终屈服了。

接下来，牛顿解释引力是行星围绕太阳运行的原因所在。他说，凡是有质量的天体彼此间都有引力。按照他的观点，我们绕太阳转是因为太阳拉住我们，月球绕地球转是因为地球拉住它。牛顿理论统治了两个半世纪以后，1915年爱因斯坦提出广义相对论取而代之。这一新学说巧妙地解释了水星轨道上的不一致，在1919年非洲海岸观测到的日食中得到证实。

爱因斯坦认为，引力是空间弯曲的结果，不是拉拽形成的。他说，宇宙中的所有天体都在一个叫做“时空”的光滑四维结构里。像太阳这样的大质量天体会使其周围的时空翘曲，所以地球轨道就是我们的星球遵循这种曲率的结果。而在我们看来，这就像是牛顿引力。

时空说已经稳坐王位100多年，迄今为止击败了所有王位觊觎者，2015年发现引力波就是一个决定性的胜利。但跟之前的学说一样，时空说恐怕也会从王座跌落。这是因为，它与物理学动物园里的另一头巨兽——量子论格格不入。

量子世界无比诡异，例如，单个粒子可以同时出现在两个地方，只有通过观察，我们才能迫使它“二选一”。在观察之前，我们只能给可能的结果分配概率。

20世纪30年代，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔想出一个办法来揭示这个理念是多么反常。他想象把一只猫关在密封容器里，旁边有一个装着毒药的小瓶，瓶子上方有一把锤子，与锤子相连的装置可测量粒子的量子态。锤子是否打碎药瓶把猫毒死取决于测量结果，而按照量子物理学，在做出这样的测量之前，粒子同时处于两种状态，所以药瓶是碎的又没碎，猫是活的又是死的。

这种概念无法与平滑、连续的时空结构相调和。“一个引力场不可能同时出现在两个地方。”法兰克福高级研究所的理论物理学家萨比娜·霍森费尔德说。

根据爱因斯坦的理论，时空被物质和能量翘曲；但量子物理学认为，物质和能量同时以多种状态存在，它们可以既在这里又在那里。“那么引力场到底在哪儿？”霍森费尔德说，“没人能回答这个问题，有点尴尬。”

把广义相对论和量子论结合起来呢？不行。霍森费尔德说：“若超出一定能量，得到的概率就大于1。”概率最大只能是1，它意味着一个确定无疑的结果。确定就是确定，不可能比“确定”更加“确定”。

同样，计算有时会给出的答案是无穷大，那就没有实际的物理学意义。因此，这两套理论在数学上是不相容的。

物理学家谋求“联姻”

于是，物理学家谋求让敌对派系“联姻”以保障和平。他们在探索“量子引力论”，犹如展开终极斡旋让两个竞争对手共享王位。这让理论家们转向了一些奇怪的可能性。

最著名的大概就是弦论，其想法是：电子和夸克等亚原子粒子由细小的、可振动的弦构成。正如拨弄乐器上的弦可以弹奏出不同音符，信奉弦论的人认为，弦的不同组合会产生不同粒子。弦论的吸引力在于，至少在理论上，它可以调和广义相对论和量子物理学。

但是，要像变戏法般自圆其说，弦必须在11个维度上振动，比爱因斯坦的时空结构要多7个维度。到目前为止，没有实验证据表明多出的这些维度确实存在。

“这是很有意思的数学题，至于它能否描述我们所在的时空，那要经过实验才知道。”英国诺丁汉大学的约尔马·洛科说。

一定程度上是受到弦论的启发，其他物理学家另辟蹊径，提出圈量子引力论。如果他们消灭广义相对论的中心信条之一，即时空是光滑、连续的结构，就可以使两种理论相安无事。他们提出，时空是由一系列相互交织的圈圈组成的，其结构非常非常小。这有点像一块布：乍一看像是一块光滑的织物，但仔细观察，就能看出它其实是一针一线编织而成的。也可以将其看成计算机屏幕上的照片：放大了就能看出它其实是由一个个像素组成的。

问题在于，圈量子引力论物理学家所说的小是真的特别小。时空的这些缺陷只有在普朗克尺度上才看得出来，而普朗克尺度是指1米的大约一万亿分之一万亿分之一万亿分之一。它实在太小了，1立方厘米空间里的圈圈比整个可观察到的宇宙中的立方厘米数还要多。

洛科说：“如果时空的差异仅在普朗克尺度上，那就很难有粒子加速器对它进行检验。”那将需要一台功率比欧洲核子研究中心的大型强子对撞机强大1000万亿倍的原子粉碎机。这么小的时空缺陷要怎样才能探测到呢？答案是察看大面积的空间。

从宇宙最远处抵达地球的光一路经过了数十亿光年的时空。尽管每个时空缺陷产生的影响很小，但沿途与众多缺陷的相互作用很可能会叠加成可观察到的影响。过去十年间，天文学家一直在使用来自远方伽玛射线暴的光寻找证据来佐证圈量子引力论。这些宇宙闪光是大质量恒星在生命尽头坍缩的结果，有些东西我们目前还无法解释。霍森费尔德说：“它们的频谱有系统性的失真。”但没人知道这种失真是在闪光传到地球过程中发生的，还是与射线暴本身有关。眼下尚无定论。

量子世界“引力化”

要取得进展，我们恐怕不能止步于宣称时空不是爱因斯坦所说的光滑、连续结构。

根据爱因斯坦的观点，时空就像一个舞台，无论台上有没有演员，它都在那儿；即使没有恒星或行星散落各处，时空也仍然存在。不过，物理学家洛朗·弗莱德尔、罗伯特·利和乔尔杰·米尼奇认为这个说法束缚了我们的思维。他们认为时空并非独立于其中的天体而存在。时空由天体相互作用的方式来定义。这样一来，时空就是量子世界本身的伪影，而不是某种需要与之结合的东西。米尼奇说：“这或许听起来古怪，却正是破解难题之道。”

该理论被称为模块化时空，其吸引力在于，也许有助于解决理论物理学中关于定域性的另一个长期难题，以及量子物理学中著名的纠缠现象。物理学家可以建立一种情境，将两个粒子聚到一起并连接其量子特性，然后将它们分开很远的距离却发现它们仍处于连接状态。改变一个粒子的特性则另一个粒子的特性也立即改变，就好像信息从一个粒子传到另一个粒子的速度比光速还要快，这直接违反了相对论。爱因斯坦被这种现象所困扰，以至于称之为“远距离诡异效应”。

模块化时空理论可以通过重新定义“分开”来接纳这样的行为。如果说时空产生于量子世界，那么量子意义上的“靠近”比物理意义上的“靠近”更重要。米尼奇说：“不同的观察者会对定域性有不同看法，要视具体情况而定。”这有点像我们与他人的关系：我们会感觉跟远方的亲人离得很近，却跟住在同一条街上的陌生人离得很远。

弗莱德尔、利和米尼奇过去五年里一直在探究这个想法，并相信自己正慢慢取得进展。米尼奇说：“我们希望保守一点，一步一步来，但它确实令人着迷、令人兴奋。”

这无疑是一种新颖的方法，看起来是将量子世界“引力化”，而不是像圈量子引力论那样将引力“量子化”。然而跟任何一种科学理论一样，它需要验证。目前，三人正在研究如何将时间拟合到他们的模型中。

这或许听起来太深奥了，只有学者才应该关注，但它可能对我们的日常生活产生更深远的影响。“我们置身于空间，在时间里穿梭，如果我们对时空的理解发生变化，那不仅会影响我们对引力的理解，还会影响对整个量子理论的理解，”霍森费尔德说，“我们目前所有的设备都是基于量子理论的。如果我们对时空的量子结构有更深入的了解，那将对未来的技术产生影响，也许不是50年、100年以后的技术，是200年以后的技术。”