引力和重力有沒有區別（為什麼引力與眾不同）

2023-10-12 11:25:22

在四種自然力中，物理學家們已經找到了其中三種對應的微觀粒子，即電磁力、強力和弱力。但第四種基本力——引力，則顯得與眾不同。

人類現有的理解引力的框架，是一百年前由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）設計的。他告訴我們，蘋果熟了會從樹上掉落，行星會繞著恆星轉，是因為物體在時空連續體中沿著曲線移動，這樣的曲線就是引力。根據愛因斯坦的理論，引力是時空介質的一種屬性，其他自然力基於此發生。

但在黑洞中心或者宇宙大爆炸早期這些問題上，愛因斯坦的理論崩潰了。物理學家需要更準確的引力理論來理解這些極端時刻。這理論也必須和愛因斯坦理論在其他方面的預測達到同樣的效果。

物理學家認為，在這個更準確的理論體系裡，引力一定也有量子態，就和其他基本力一樣。研究者從20世紀30年代起就開始鑽研引力的量子理論。他們有一些可能的推測，最出名的是弦理論，認為引力和其他的現象起源於極其小的弦振動。但目前為止這些推測都還只是推測，也沒有完全解釋清楚。引力的可行量子理論也許是當下物理世界裡最崇高的目標了。

是什麼讓引力如此特別？第四種力為何如此特殊，以至於研究者也找不到它的潛在的量子描述？本文作者詢問了四位量子引力研究者，得到了四種不同的答案。

引力創造了奇點

克勞迪婭·德拉姆（Claudia de Rham），倫敦帝國理工的理論物理學家，研究質量引力理論（massive gravity theory），該理論認為引力的量子化單位是有質量的粒子：

愛因斯坦的廣義相對論正確地描述了引力跨越近30個數量級的行為，從亞毫米尺度一直到宇宙距離。任何其他的自然力都未曾被描述得如此精確、如此複雜。理論預言和實驗、觀測結論完美匹配，廣義相對論似乎提供了對引力的終極詮釋。然而，廣義相對論的神奇之處在於它預言了自己的缺陷。

廣義相對論預測了黑洞和宇宙起源的大爆炸。然而這些地方存在神秘的「奇點」，時空曲率似乎接近無限，似乎成為了標誌廣義相對論崩潰的信號旗。在接近黑洞中心或大爆炸奇點的地方，廣義相對論的理論預言就不再正確。應該有一個對時空更基本、深層的理論解釋來取代它。如果能將物理學理論翻開這新的一頁，我們或許能夠對時空本身有一個新的認識。

對於引力之外的任何一種自然力，我們都有希望設計更大能量、更小距離的實驗來深入探測它。但引力不是普通的力。要想超過某個臨界點去揭開它的秘密，實驗裝置本身就會坍縮成一個黑洞。

引力產生了黑洞

丹尼爾·哈洛（Daniel Harlow），麻省理工學院的量子引力理論物理學家，以將量子信息理論應用於引力和黑洞的研究而聞名：

黑洞的存在是很難把引力和量子力學結合起來的原因。黑洞只可能是引力導致的，因為引力是唯一一種作用於所有物質的力，如果有任意一種粒子不受引力作用，那麼我們就可以用這種粒子從黑洞內部發出信息，那麼它就不能算黑洞了。

所有物質都受到引力作用，這一事實對實驗產生了限制：無論你建造什麼儀器，用的什麼材料，它都不能太重，否則它必然會在引力作用下坍縮成黑洞。日常情況下我們不需要考慮這樣的約束，但當你試圖建立一個實驗來測量引力的量子力學性質時，這點就變得至關重要。

圖片來源：Pixabay

我們對其他自然力的理解建立在定域性原理的基礎上。定域性原理認為，描述空間每一點性質的變量都可以獨立地改變，比如電場強度。我們稱這些變量為「自由度」，並且這只能直接影響到它們的近鄰。定域性對於我們目前描述粒子及其相互作用的方式很重要，其中體現了因果關係：如果我所在的麻薩諸塞州劍橋的自由度取決於舊金山的自由度，我們就可以利用這種相關性實現兩個城市之間的即時溝通，甚至可以給過去發送信息，這可能會違反因果關係。

定域性原理的假設在一般情況下已經得到了很好的驗證，假設它可以拓展到與量子引力相關的極短的距離上似乎是很自然的（這一距離很小，因為引力比其他力弱得多）。為了證實定域性原理在這些距離尺度上仍然存在，我們要建造一個裝置，以檢驗即使兩個物體之間距離這麼小，它們的自由度依然是獨立的。然而簡單計算表明，如果一個裝置足夠重，能避免它所在的位置出現大的量子漲落並破壞實驗，那麼它也必然重得足以坍縮成黑洞！因此，在這個尺度上進行實驗來證實定域性原理是不可能的。所以量子引力不需要在這種尺度上遵循定域性原理。

事實上，迄今對黑洞的研究表明，任何量子引力理論的自由度都應該大大低於我們基於其他力所預測的自由度。這一思想被納入「全息原理」（holographic principle）中，粗略地說，該理論認為空間區域裡的自由度與其表面積而不是體積成正比。

引力能憑空創造出物體

胡安·馬爾達塞納（Juan Maldacena），普林斯頓高級研究所的量子引力理論家，以發現引力和量子力學之間類似全息圖的關係聞名：

粒子可以呈現出許多有趣和令人驚訝的現象。粒子可以自發產生，相距遙遠的粒子之間也可以發生量子態糾纏，粒子可以存在於多個位置的疊加。

在量子引力中，時空本身表現出新的行為。這裡並非創造粒子，而是創造宇宙。量子糾纏被認為能夠在相距甚遠的時空區域之間建立聯繫。這裡還會發生不同時空的宇宙疊加。

此外，從粒子物理學的角度來看，真空其實是一個複雜的物體。我們可以想像許多被稱為場的實體相互疊加，並延伸到整個空間。每個場的值不斷發生小幅波動，真空態就出現在這些波動的場及其相互作用中。這種真空狀態下的粒子是一種擾動，可以把它們想像成真空結構中的小缺陷。

圖片來源：Pixabay

當考慮引力時，我們發現宇宙的膨脹似乎會憑空產生更多的真空物質。當時空被創造時，它恰好是一種沒有任何缺陷的真空。真空是如何恰好以正確的排列出現的，是對黑洞和宇宙學的一致的量子解釋需要回答的主要問題之一。在這兩種情況下都存在一種時空拉伸，這產生了更多的真空物質。

引力無法計算

塞拉·克雷莫尼尼（Sera Cremonini），里海大學理論物理學家，從事弦論、量子引力和宇宙學研究：

引力特別的原因有很多。我會具體關注一個方面：愛因斯坦廣義相對論在量子意義下是「不可重正的」（nonrenormalizable），這對引力在高能條件下的的行為有影響。

在量子理論中，試圖計算高能粒子如何相互散射和相互作用時，會出現無限項。描述除引力以外的自然力的所有理論都屬於可重正理論（renormalizable theory），在這類理論中，我們可以通過適當地加上其他的項，嚴謹而有效地抵消這些無限項，即所謂的反項（counterterm）。這個重正化（renormalization）過程能夠得出物理上合理的答案，其結果與實驗高度符合。

廣義相對論量子理論的問題在於，描述高能引力子（graviton，引力的量子化單位）相互作用的計算將有無限多個無限項。這就需要永無止境地添加無限多的反項，也就是說無法進行重正化。正因如此，愛因斯坦廣義相對論的量子理論版本不能很好地描述高能下的引力。這其中一定缺少了引力的一些關鍵特徵和成分。

然而，我們仍然可以用解釋自然界中的其他相互作用的標準量子技巧，對低能量下的引力做一個非常好的近似解釋。關鍵在於，這種解釋將在到達某個能量尺度時崩潰，或者等價地來說，在某個長度尺度下。

在這個能量尺度之上，或者在相應的長度尺度之下，我們期望找到新的自由度和新的對稱。準確地捕捉這些特徵需要一個新的理論框架。這正是弦論或其他一些合適的廣義理論發揮作用的地方。弦論認為，在很短的距離內，引力子和其他粒子可以看成擴展的物體，稱為弦。研究這種可能性可以告訴我們有關引力量子行為的寶貴信息。

撰文：Samuel Velasco

翻譯：張元一

編輯：戚譯引

引進來源：Quanta Magazine

本文來自：中國數字科技館