量子「閃爍」形成的引力，將引導形成物理學統一理論

最新 09-29

在這幅圖中，硅原子呈現不同的閃爍態，亮著的晶體作為一個受激電子發光（白點表示），將多餘的能量以光子的形式釋放。暗晶體的電子（黃色）被困在表面，通過其熱或晶格振動等路徑吸收能量，因而較暗。

自二十世紀中期以來，物理學的兩個理論提供了強大但不相容的物理宇宙模型。

廣義相對論將空間和時間結合在一起，創造了「時空」概念。按照廣義相對論的解釋，在引力場中，時空的性質是由物體的「質量」分布決定的，物體「質量」的分布狀況使時空性質變得不均勻，引起了時空的彎曲。大致上講，物質密度越大的地方，曲率也就越大。也就是說，「時空曲率」產生了引力，當光線經過一些「大質量」的天體時，它的路線是彎曲的，它將沿著「大質量」物體所形成的「時空曲面」前進。就像放在軟床上的重球使床面彎曲一樣。廣義相對論能夠對行星際、恆星際等大尺度宇宙空間的物理問題做出很好的解釋。

但該理論對於亞原子尺度的物理問題，卻不能給出很好的解釋。在這種尺度上，觀測者所實施的觀測動作會改變被觀測對象的行為。維爾納·海森堡於1927年發表論文，給出這原理的原本啟發式論述，因此這原理又稱為「海森堡不確定性原理」。根據海森堡的表述，測量這動作不可避免的攪擾了被測量粒子的運動狀態，因此產生不確定性。此時，就需要量子論來幫助我們進行研究。

雖然科學家已經作出了一些顯著的嘗試，將這些相斥的理論合在一起，形成了弦理論，但理論背後的計算結果仍然是不相容的。

但是，位於德國加興的麥克斯普朗克量子光學研究所的安托萬·蒂盧瓦研究發現，引力可能是量子水平隨機波動的一個屬性，這一發現將使得引力成為更加重要的理論基礎，引導我們形成物理宇宙的統一理論。

在量子理論中，粒子的狀態是通過波函數來進行描述的。科學家通過波函數來預測粒子出現某種狀態的概率。

但是，如果未經觀測，沒有人能夠確定地知道，粒子將會呈現哪種狀態，甚至連粒子本身是否存在都無法確定。在哥本哈根詮釋（the Copenhagen Interpretation）中，測量會讓單粒子或系統的波函數坍縮，從一團「概率雲」變成一個簡單而確定的結果。

但測量到底是什麼呢？它是否需要一個有意識的測量者？如果測量者必須在被觀察的系統之外，那對於整個宇宙的測量，又該怎麼說呢？

以著名的「薛定諤的貓」為例，一隻貓被封在一個密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個鎚子，鎚子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關，鎚子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出裡面的氰化物氣體，貓必死無疑。原子核的衰變是隨機事件，物理學家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一种放射性元素的半衰期是一天，則過一天，該元素就少了一半，再過一天，就少了剩下的一半。物理學家卻無法知道，它在什麼時候衰變，上午，還是下午。當然，物理學家知道它在上午或下午衰變的幾率——也就是貓在上午或者下午死亡的幾率。如果我們不揭開密室的蓋子，根據我們在日常生活中的經驗，可以認定，貓或者死，或者活。這是它的兩種本徵態。如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓，則只能說，它處於一種活與不活的疊加態。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道貓是死是活。此時，貓構成的波函數由疊加態立即收縮到某一個本徵態。量子理論認為：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，我們永遠也不知道貓是死是活，它將永遠處於半死不活的疊加態，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規律不以人的意志為轉移，貓既活又死違背了邏輯思維。

這些問題激勵人們對現有的量子力學理論進行修正，或者直接提出其他理論版本，使量子力學在本質上不依賴於外部觀察者的測量，這樣的模型有很多種形式，比較著名的有上世紀80年代後期提出的吉拉爾迪·里米尼·韋伯（Ghirardi-Rimini-Weber，簡稱GRW）模型。該模型將量子系統波函數引發的「閃爍」同自發坍縮結合到一起。

其目的是為了確保觀測結果不會受到觀測者的影響。

蒂盧瓦利用這一模型擴展了量子論，對引力進行了包含。量子閃爍引發波函數坍縮時，粒子將出現確定狀態，在時空的這一精確時刻，將會形成引力場。

在足夠大的尺度上，量子系統中的很多粒子正在進行著無數次「閃爍」。

根據蒂盧瓦的理論，該現象形成了波動引力場。這些波動所形成的引力場符合牛頓的引力論。

如果量子過程形成的引力，其作用方式符合牛頓的經典理論，那麼，我們所得到的理論就可以算作是「半經典」理論。

但是，德國杜伊斯堡-埃森大學的克勞斯·霍恩貝格提醒科學界說，要形成關於所有現代物理定律的基本力統一理論，我們還需要進行更進一步的研究探索，蒂盧瓦的半經典方案是否值得我們認真考慮？在做出確定回答之前，還有一些其他的問題需要解決。

雖然蒂盧瓦的理論符合牛頓的引力論，但蒂盧瓦還需要進行數學推導，以證明量子理論同樣描述了愛因斯坦廣義相對論下的引力。

物理學對宇宙中的各類現象有著巨大的解釋能力，是一門最令人激動的科學學科。但是，形成物理學的統一理論，我們還要多一些耐心。

就像我們在敘述「薛定諤的貓」這個故事時所說的道理那樣，吾生也有涯，而知也無涯。科學研究需要我們長期共同努力。