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新理论成功统一“相对论”与量子力学！
光子盒研究院
伦敦大学学院（UCL）的物理学家同时发表了两篇论文，宣布了一种既能统一引力和量子力学，又能保留爱因斯坦经典时空概念的“激进”理论。
文章链接：https://arxiv.org/abs/1811.03116
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43348-2
现代物理学建立在两大支柱之上：一方面是量子理论，它支配着宇宙中最小的粒子；另一方面是爱因斯坦的广义相对论，它通过时空的弯曲来解释引力。但是，这两种理论相互矛盾，一个多世纪以来一直难以调和。
人们普遍认为，爱因斯坦的万有引力理论必须加以修改或 “量子化”，才能符合量子理论：弦理论和圈量子引力论是量子引力理论的两个主要候选理论。
但是，由乔纳森·奥本海姆教授（UCL物理与天文学）提出并在《物理评论X》上发表的一篇论文中阐述的新理论挑战了这一共识，并提出了另一种方法：时空可能是经典的，也就是说，根本不受量子理论的支配。
该理论被称为“经典引力的后量子理论”（post quantum theory of classical gravity），它不是修改时空，而是修改量子理论，预测由时空本身介导的可预测性的内在崩溃。这导致了时空中随机而剧烈的波动，这种波动比量子理论所设想的要大，从而使物体的表面重量变得不可预测，如果测量足够精确的话。
第二篇论文同时发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，由奥本海姆教授以前的博士生领衔撰写，研究了该理论的一些后果，并提出了一个实验来检验该理论：非常精确地测量一个质量，看它的重量是否会随着时间的推移而波动。
例如，法国的国际度量衡局定期称量一个1千克的质量，它曾经是1千克的标准。如果这1千克质量的测量波动小于数学一致性的要求，就可以排除该理论。
奥本海姆教授与圈量子引力和弦理论的主要支持者卡洛·罗韦利教授和杰夫·佩宁顿博士分别以5000:1的赔率打赌，实验结果或其他证据的出现将证实时空的量子与经典性质。
过去五年来，UCL研究小组一直在对该理论进行压力测试，并探索其后果。
奥本海姆教授说：“量子理论和爱因斯坦的广义相对论在数学上互不相容，因此了解如何解决这一矛盾非常重要。时空应该被量子化，还是我们应该修改量子理论，抑或是完全另辟蹊径？现在我们有了一个一致的基本理论，在这个理论中，时空不会被量子化，这谁也说不准。”
该发现的共同作者扎克·戴维斯（Zach Weller-Davies）曾在伦敦大学洛杉矶分校攻读博士学位，帮助制定了实验方案，并对该理论本身做出了重要贡献，他说：“这一发现挑战了我们对万有引力基本性质的理解，但也提供了探索其潜在量子性质的途径。”
“我们已经证明，如果时空不具有量子性质，那么时空曲率中一定存在随机波动，这种波动具有可以通过实验验证的特殊特征。”
“在量子引力和经典引力中，我们周围的时空一定都在发生剧烈的随机波动，但这种波动的尺度我们还无法探测到。但如果时空是经典的，那么波动就必须大于一定的尺度，而这个尺度可以通过另一个实验来确定，我们可以在这个实验中测试我们能把一个重原子叠加在两个不同位置多长时间。”
共同作者卡罗·斯帕拉西里（Carlo Sparaciari）博士和芭芭拉·绍达（Barbara Šoda）博士的分析和数值计算帮助指导了该项目，他们表示希望这些实验能够确定追求量子引力理论是否是正确的方法。
Šoda博士（原UCL物理与天文学系，现就职于加拿大周边理论物理研究所）说：“由于引力是通过空间和时间的弯曲表现出来的，我们可以从时间流动的速度是具有量子性质还是经典性质的角度来思考这个问题。”
“测试这一点就像测试质量的重量是恒定的，还是以特定方式波动一样简单。虽然实验概念很简单，但物体的称重需要极其精确地进行。”
“但让我感到兴奋的是，从非常一般的假设出发，我们可以证明两个可测量量之间的明确关系：时空波动的尺度，以及原子或苹果等物体在两个不同位置的量子叠加中可以停留多长时间。然后，我们就可以通过实验确定这两个量。”
韦勒·戴维斯补充说：“如果原子等量子粒子能够弯曲经典时空，那么其中必然存在微妙的相互作用。原子的波浪特性与时空中的随机波动需要多大之间必须有一个基本的权衡。”
通过寻找质量的随机波动来检验时空是否经典的建议与另一项实验建议相辅相成，后者旨在通过寻找一种被称为 “引力介导的纠缠”的东西来验证时空的量子性质。
苏加托·博斯教授（UCL物理与天文学）没有参与今天的宣布，但他是最早提出纠缠实验的人之一，他说：“检验时空本质的实验需要大规模的努力，但从理解自然基本规律的角度来看，这些实验具有巨大的重要性。我相信这些实验指日可待：这些事情很难预测，但也许我们会在未来20年内知道答案。”
后量子理论的影响超越了万有引力。量子理论中臭名昭著且问题重重的“测量公设”不需要了，因为量子叠加必然会通过与经典时空的相互作用而局部化。
那么，这个新的量子物质和经典引力理论的下一步是什么？与所有物理理论一样，真正的检验在于其与实验数据的一致性。对这些模型更具决定性的经验测试可能来自于通过实验确定引力场是否经典的提议。
奥本海姆教授试图解决黑洞信息问题，这就是该理论的动机。根据标准量子理论，进入黑洞的物体应该以某种方式辐射出来，因为信息不可能被摧毁，但这违反了广义相对论，因为广义相对论认为你永远无法知道穿过黑洞事件视界的物体的信息。
现在，由于可预测性的根本性崩溃，新理论允许信息被摧毁。在基础物理学领域，奥本海姆的提议大胆背离了七十年来的既定思想。它为我们探索宇宙最深奥秘开辟了新领域，站在了可能重塑我们现实概念的门槛上。
参考链接：[1]https://phys.org/news/2023-12-theory-einstein-gravity-quantum-mechanics.html[2]https://www.ucl.ac.uk/news/2023/dec/new-theory-seeks-unite-einsteins-gravity-quantum-mechanics[3]https://www.zmescience.com/science/news-science/new-theory-seeks-to-unite-gravity-and-quantum-mechanics/[4]https://greekreporter.com/2023/12/05/new-theory-unite-einstein-gravity-quantum-world/[5]https://physics.aps.org/articles/v16/203
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