爱因斯坦错了吗？为什么一些天体物理学家在质疑时空理论

　　这篇文章由＂关于空间＂（All About Space）提供给您 。
　　爱因斯坦认为引力是弯曲空间的结果，而不是拉力。他说，宇宙中的所有物体都座落在光滑的四维结构中，称为时空。诸如太阳之类的重物扭曲了它们周围的时空，因此地球的轨道仅仅是我们的行星遵循此曲率的结果。对我们来说，这就像是牛顿的引力。这张时空图片现在已经登上宝座100多年了，到目前为止，它已经使所有假装者van之以鼻。在2015年发现引力波是一个决定性的胜利，但是，像它的前辈一样，它也可能会崩溃。那是因为它与物理动物园中的另一种大兽根本不相容：量子理论。
　　众所周知，量子世界很奇怪。例如，单个粒子可以同时位于两个位置。只有通过观察，我们才能迫使它＂选择＂。在观察之前，我们只能将概率分配给可能的结果。在1930年代，欧文·施罗丁格（ErwinSchrödinger）设计了一种著名的方式来揭露这个想法的谬误。他想象着一只猫在密封的盒子里，伴随着一小瓶附在锤子上的毒药。锤子钩在测量粒子量子态的装置上。不论锤子是否砸碎小瓶并杀死猫，这取决于该测量结果，但是量子物理学说，在进行这种测量之前，粒子同时处于两种状态，这意味着小瓶既破裂又未破裂，并且猫是生与死。
　　这样的图像不能与光滑，连续的时空结构相协调。法兰克福高等研究院的理论物理学家萨宾·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）说：＂引力场不能同时存在于两个地方。＂ 根据爱因斯坦的说法，时空会受到物质和能量的扭曲，但是量子物理学说物质和能量同时存在于多个状态中，它们既可以在这里也可以在那里。＂那么引力场在哪里？＂ 霍森菲尔德问。她说：＂没人能回答这个问题。这有点令人尴尬。＂
　　巨大的物体扭曲了周围的空间和时间，导致附近的物体沿着弯曲的路径运动。 （图片来源：Take 27 Ltd）
　　尝试同时使用广义相对论和量子理论，但这是行不通的。Hossenfelder说：＂在一定能量之上，您获得的概率大于一个。＂ 一个是最大可能的可能性-这意味着结果是确定的。您无法确定。同样，计算有时会为您提供无限的答案，这没有实际的物理意义。因此，这两种理论在数学上是不一致的。因此，就像整个历史上的许多君主一样，物理学家们正在寻求对立派系之间的婚姻，以确保和平。他们正在寻找一种量子引力理论，这是使这两个对手分享王位的最终外交手段。这已经看到理论家转向了一些古怪的可能性。
　　可以说最著名的是弦理论。这种想法是，亚原子粒子（例如电子和夸克）是由微小的振动弦制成的。正如您可以在乐器上弹奏弦以创建不同音符一样，弦理论家也认为，弦的不同组合会产生不同的粒子。该理论的吸引力在于，它至少在纸上可以协调广义相对论和量子物理学。但是，要把那只兔子从帽子上拉出来，弦必须在11个维度上振动-比爱因斯坦的时空结构中的4个要多7个。到目前为止，还没有实验证据证明这些额外的维度确实存在。＂这可能是有趣的数学，但是它是否描述了我们生活的时空，我们只有在进行实验之前才真正知道，＂诺丁汉大学。
　　调和广义相对论和量子理论的一种方法是说，现实是由振动的弦构成的。 （图片来源：科学图片库）
　　在某种程度上受到弦理论的失败的启发，其他物理学家转向了另一种称为环量子引力（LQG）的方法。如果它们消除了广义相对论的中心宗旨之一，那么他们就可以使两种理论很好地发挥作用：时空是一种光滑，连续的结构。相反，他们认为，时空是由一系列交织的环组成的，它具有最小尺寸尺度的结构。这有点像一块布。乍一看，它看起来像一种光滑的织物。但是，仔细观察，您会发现它实际上是由针迹网络组成的。另外，也可以将其视为计算机屏幕上的照片：放大，您会发现它实际上是由单个像素组成的。
　　问题在于，当LQG物理学家说的很小的时候，他们的意思是真的很小。时空的这些缺陷仅在普朗克规模的水平上才很明显，大约是一万亿分之一米的一万亿分之一万亿分之一。它是如此之小，以至于在一个立方厘米的空间中，比在整个可观察宇宙中的立方厘米，还要多的循环。Louko说：＂如果时空仅在普朗克尺度上有所不同，那么这将很难在任何粒子加速器中进行测试。＂ 您将需要一个比CERN的大型强子对撞机（LHC）强大1,000万倍的原子粉碎机。那么，如何才能发现这么小的时空缺陷呢？答案是看大面积的空间。
　　从宇宙最远的地方到达这里的光沿途经过了数十亿光年的时空。尽管每个时空缺陷的影响很小，但在这些距离上，与多个缺陷的交互作用很可能加起来可能是可观察到的效果。在过去的十年中，天文学家一直在使用来自遥远的伽马射线暴的光寻找支持LQG的证据。这些宇宙闪光是大质量恒星在生命的尽头坍塌的结果，而这些远距离引爆目前尚无法解释。霍森费尔德说：＂它们的频谱有系统的失真，＂但是没人知道这是否是这里发生的事情，或者是否与爆发本身有关。陪审团仍在。
　　另一幅图片说时空不是很平滑，而是由一系列微小的循环组成。 （图片来源：科学图片库）
　　为了取得进展，我们可能必须走得更远，而不是说时空不是爱因斯坦所建议的光滑，连续的结构。根据爱因斯坦的观点，时空就像一个舞台，无论演员是否在踩板，它仍然存在-即使没有恒星或行星在跳舞，时空仍然存在。然而，物理学家洛朗·弗雷德尔（Laurent Freidel），罗伯特·利（Robert Leigh）和乔丹·米尼克（Djordje Minic）认为这幅画使我们退缩了。他们认为时空并非独立于其中的物体而存在。时空由对象交互的方式定义。那将使时空成为量子世界本身的产物，而不是与之结合的东西。Minic说：＂这听起来有些古怪，但这是解决问题的一种非常精确的方法。＂
　　该理论的吸引力-称为模块化时空-可能有助于解决理论物理学中另一个长期存在的问题，即局部性和量子物理学中一个臭名昭著的纠缠现象。物理学家可以建立一种情况，将两个粒子聚集在一起并链接其量子特性。然后，他们将它们分开很长的距离，发现它们仍处于链接状态。改变一个属性和另一个属性将立即更改，就好像信息从一个到另一个传播的速度快于光速，这直接违反了相对论。爱因斯坦被这种现象所困扰，以至于他称之为＂远距离的诡异动作＂。
　　模块化时空理论可以通过重新定义分离的含义来适应这种行为。如果时空从量子世界中出现，那么在量子意义上接近比在物理意义上接近更根本。Minic说：＂不同的观察者会有不同的局部性概念，这取决于上下文。＂ 这有点像我们与其他人的关系。我们可以比住在街上的陌生人更亲近亲人。霍森费尔德说：＂只要这些非本地连接很小，就可以使用它们。＂
　　阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）放弃了牛顿式的引力图片，将其替换为时空。 （图片来源：科学图片库）
　　弗雷德尔（Freidel），利（Leigh）和米尼克（Minic）在过去五年中一直在研究他们的想法，他们相信他们正在缓慢地取得进展。Minic说：＂我们希望保持保守，并逐步采取行动，但这确实令人着迷并且令人兴奋＂。这当然是一种新颖的方法，它看起来是在＂引力化＂量子世界，而不是像在LQG中那样量化引力。但是，与任何科学理论一样，也需要对其进行检验。目前，三人正在研究如何将时间拟合到他们的模型中。
　　这听起来似乎太深奥了，只有学者才应该关注，但这可能对我们的日常生活产生更深远的影响。霍森费尔德说：＂我们坐在太空中，穿越时空，如果对时空的理解发生变化，这不仅会影响我们对引力的理解，还会影响对量子理论的理解。＂ 她说：＂我们目前所有的设备只能基于量子理论来工作。如果我们更好地理解时空的量子结构，那将对未来的技术产生影响-也许不是在50年或100年，而是200年。＂
　　当前的君主in之以鼻，一个新的伪装者早就应该逾期了，但我们无法决定众多选择中哪一个最有可能成功。当我们这样做时，由此产生的革命不仅可以为理论物理学带来成果，而且还可以为所有人带来成果。