相對(duì)論與量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩大支柱

與電磁場(chǎng)的引力效應(yīng)相比，引力場(chǎng)的量子效應(yīng)可以說(shuō)是極小。本質(zhì)上，引力的耦合常數(shù)要比精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)小43個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，graviton（引力子）實(shí)際上是觀測(cè)不到的。但是，有可能通過(guò)間接的方式來(lái)觀測(cè)引力的量子效應(yīng)。

近期發(fā)表在PRL上的兩篇論文給出了兩種相近的方案建議，其一來(lái)自倫敦大學(xué)學(xué)院的SougatoBose及其同事，其一來(lái)自牛津大學(xué)的Chiara Marletto和Vlatko Vedral。

相對(duì)論與量子力學(xué)是近代物理學(xué)的兩大支柱。這兩大理論的提出圓滿解釋了19世紀(jì)末、20世紀(jì)初的兩朵烏云：“邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)”和“黑體輻射”。

1905年愛因斯坦在德國(guó)《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表了四篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文，首次提出了相對(duì)時(shí)空觀，相對(duì)論問(wèn)世。這一年被稱為“愛因斯坦奇跡年”。1877年玻爾茲曼提出物理系統(tǒng)的能級(jí)可以是離散的，1900年普朗克提出電磁能只能以量子化的方式來(lái)釋放，同時(shí)，愛因斯坦受到啟發(fā)，提出了光量子的概念，圓滿解釋了光電效應(yīng)。隨后，在20世紀(jì)上半葉，許多科學(xué)家一起，奠立了量子力學(xué)。這些著名科學(xué)家包括普朗克，玻爾，海森堡，德布羅意，康普頓，愛因斯坦，薛定諤，波恩，馮·諾伊曼，狄拉克，費(fèi)米，泡利，勞厄，戴森，玻色，索末菲等等。

經(jīng)典場(chǎng)論、狹義相對(duì)論以及量子力學(xué)隨后在量子場(chǎng)論的框架下統(tǒng)一起來(lái)，廣泛地應(yīng)用于粒子物理和凝聚態(tài)物理。歷史上量子場(chǎng)論曾被認(rèn)為是真正的基礎(chǔ)理論，但長(zhǎng)久以來(lái)它一直未能實(shí)現(xiàn)對(duì)廣義相對(duì)論的量子化。人類已知的四種基本相互作用中，除去引力，強(qiáng)相互作用、電磁相互作用和弱相互作用都已找到了適合滿足特定對(duì)稱性的量子場(chǎng)論來(lái)描述，即量子色動(dòng)力學(xué)、量子電動(dòng)力學(xué)和費(fèi)米點(diǎn)作用理論。弱作用和電磁相互作用更在形式上實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，即量子規(guī)范理論。

Theory of Everything （萬(wàn)有理論）是假定存在的具有總括性、一致性的物理理論框架，能夠解釋宇宙的所有奧秘。廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)論的總和，可以說(shuō)是最接近想象中的萬(wàn)有理論。String Theory（弦論）和Loop Quantum Gravity（圈量子引力）是目前被認(rèn)為最有可能成功的萬(wàn)有理論。得到萬(wàn)有理論的理論路徑通常認(rèn)為可以通過(guò)逐級(jí)統(tǒng)合來(lái)獲得：

其中，現(xiàn)在Grand Unified Theories （GUT，大統(tǒng)一理論）的標(biāo)準(zhǔn)模型和所有曾經(jīng)提出過(guò)的各種GUT都屬于量子場(chǎng)論，需要重整化群技術(shù)來(lái)得到合理的結(jié)果，這就意味著量子場(chǎng)論只是一個(gè)非常好的低能量下的近似，即量子場(chǎng)論是某個(gè)更基本理論的一個(gè)有效場(chǎng)理論。

廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)論的矛盾在于，在它們各自的領(lǐng)域里做出的理論預(yù)測(cè)都通過(guò)了極端精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是二者并不兼容，不會(huì)同時(shí)正確。通常情況下由于兩者應(yīng)用的領(lǐng)域差別很大，所以只要用其中一種理論就夠了。但是在空時(shí)尺度極小并且質(zhì)量極大的各種情況下，比如黑洞以及大爆炸之后的宇宙初始階段，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的不兼容便成了一個(gè)顯著的問(wèn)題。

量子引力理論試圖通過(guò)量子力學(xué)原理來(lái)描述引力。嚴(yán)格來(lái)講，量子引力理論的目標(biāo)只是描述引力場(chǎng)的量子行為，不應(yīng)與整合所有基本相互作用為一個(gè)數(shù)學(xué)框架的目標(biāo)相混淆。但是對(duì)引力的理解的任何進(jìn)展都將有助于最終獲得一個(gè)一統(tǒng)的理論，量子引力這個(gè)領(lǐng)域本身也會(huì)有各種分支和獲得一統(tǒng)理論的不同的方式。

量子引力理論的數(shù)學(xué)描述已經(jīng)有了一定的進(jìn)展，但是過(guò)去所建議的觀測(cè)引力量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，沒有一個(gè)是目前可行的。與電磁場(chǎng)的引力效應(yīng)相比，引力場(chǎng)的量子效應(yīng)可以說(shuō)是極小。本質(zhì)上，引力的耦合常數(shù)要比精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)小43個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，graviton（引力子）實(shí)際上是觀測(cè)不到的。但是，有可能通過(guò)間接的方式來(lái)觀測(cè)引力的量子效應(yīng)。近期發(fā)表在PRL上的兩篇論文給出了兩種相近的方案建議，其一來(lái)自倫敦大學(xué)學(xué)院的SougatoBose及其同事，其一來(lái)自牛津大學(xué)的Chiara Marletto和Vlatko Vedral。在他們的理想實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)只通過(guò)引力發(fā)生相互作用，如果這兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生量子糾纏，也就是說(shuō)這兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)處在量子疊加態(tài)上，那么產(chǎn)生這一量子效應(yīng)的原因只能是引力。具體的方法是，把兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)各自放在相鄰的兩個(gè)相同的干涉儀中，如果引力是量子層次的，那么這兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)在離開各自的干涉儀之前將已經(jīng)變成量子糾纏。

G. W. Morley/University of Warwick and APS/Alan Stonebraker

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)給出的方案雖然相近但是略有差別。Marletto和Vedral給出的是一個(gè)一般性的證明，即，一個(gè)系統(tǒng)如果能夠使兩個(gè)量子系統(tǒng)產(chǎn)生量子糾纏，那么這個(gè)系統(tǒng)本身一定是量子的。Bose的團(tuán)隊(duì)則討論了一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)：用兩個(gè)自旋態(tài)來(lái)產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)的空間疊加態(tài)。

不論是Marletto和Vedral的理想實(shí)驗(yàn)還是Bose的理想實(shí)驗(yàn)，技術(shù)上都充滿各種挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)這些實(shí)驗(yàn)需要產(chǎn)生并維持相對(duì)論級(jí)別的質(zhì)點(diǎn)的量子疊加態(tài)，同時(shí)需要減少或排除引力之外的相互作用。但是，量子引力的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)一旦獲得實(shí)現(xiàn)，必將為物理學(xué)帶來(lái)巨大突破，并有可能使人類獲得統(tǒng)一了所有基本相互作用的終極理論，對(duì)宇宙產(chǎn)生全新的理解。