《自然》聚焦应对物理学终极挑战四大法宝
时间:2017-12-07

  “自然”专注于对物理四大法宝的终极挑战 - 新闻 - 科学网

  许多研究人员认为,只有在解释空间和时间的来源时,物理才是真正完整的。照片来源:“自然”

  想象一下,有一天你醒来,意识到你生活在一个电脑游戏。加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)的物理学家马克·范拉姆斯登克(Mark Van Raamsdonk)说。这听起来像是一部科幻电影,但对他来说这个场景是一种思考现实的方式。如果这是真的,他说:我们周围一切的整个三维物理世界是其他地方的二维芯片的编码信息所产生的幻觉。这将使我们的宇宙和它的三维空间成为一个仅存在于低维中的矩阵投影的全息图。

  即使从理论物理的一般标准来看,这种全息原理也是奇怪的。但是少数研究人员认为范拉姆斯多克就是其中之一,这并不奇怪。 Van Raamsdonk及其同事认为,只有在解释空间和时间的来源时,物理才是完整的。如此彻底的现实概念重构是解释黑洞无限密集中心的奇点如何扭曲空间和时间结构以及研究人员如何将原子量子理论与行星广义相对论统一起来的唯一途径。

  所有的经验告诉我们,我们不应该有两个完全不同的真正的概念,必须有一个涵盖所有事物的宏大理论。美国宾夕法尼亚州立大学的物理学家Abhay Ashtekar说。

  寻找这个伟大的理论是一个艰巨的挑战。 “自然”杂志就如何验证这些概念提出了一些有希望的研究方向和新想法。

  引力和热力学

  有没有证据表明真的比空间和时间更重要?一些激动人心的线索来自70年代初期的一系列惊人的发现。当时,量子力学,引力,热力学和热力学之间的密切联系变得清晰起来。

  1974年,英国剑桥大学的史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)指出,黑洞周围的空间中的量子效应使其像高热那样发射辐射。其他物理学家很快发现这种现象非常普遍。即使在一个完全真空的空间里,这些正在加速的宇航员也会感觉好像正在洗个热水澡。如果量子论和广义相对论是正确的,而且经过大量的实验证实,霍金的辐射存在似乎是不可避免的。

  第二个重要发现与它密切相关。在标准热力学中,物体只能通过减少熵(内部量子态的数量)来释放热量。黑洞也是如此,但也有不同之处。在大多数物体中,熵与物体中原子的数量和体积成正比。但是黑洞的熵与其地平面的面积成正比。看起来表面可以编码内部信息,就像2D全息图编码3D图像一样。

  1995年,马里兰大学的物理学家泰德·雅各布森(Ted Jacobson)发现,数学关系之一可以用广义相对论方程来解释,但是用热力学的概念而不是弯曲时空的思想。 2010年,荷兰阿姆斯特丹大学的弦理论家Erik Verlinde说,时空的统计热力学会自动产生牛顿的万有引力定律,印度研究所宇宙学家Thanu Padmanabhan说,天文学和天体物理学,发现爱因斯坦方程可以用另一种方式表达,符合热力学定律。

  验证这些想法是非常困难的,但并非不可能。人们经常提到的验证时空是否由离散分量组成的方法是寻找从远处的宇宙事件(如超新星和射线爆发)传播到地球的高能光子,看是否有任何延迟。短波光子感觉到道路的离散性会是颠簸的,会稍微减缓。今年4月,意大利罗马大学的量子引力科学家乔瓦尼·阿米利诺 - 卡梅利亚(Giovanni Amelino-Camelia)和他的同事们发现了这种由射线爆发释放的光子的延迟。结果尚不清楚,但研究小组计划扩大搜索范围,以查看宇宙事件产生的高能中微子的旅行时间。

  圆量子引力理论

  即使上述假设是正确的,热力学的理论也不能告诉我们空间和时间的基本组成是什么。如果空间是一个织物,那么它的线是什么?

  其中一个可能的答案是写得很好。圆量子引力理论由Ashtekar和其他科学家在八十年代中期开发。它将时空描述为蜘蛛网,并包含各种信息。这些线路中的每条线路最终都会连接起来形成一个循环,该循环携带定义周围时空结构形状的信息。

  然而,由于这些循环是量子物体,它们也遵循一般量子力学定义氢原子中具有最小基态能量的电子的最小单位态。如果您尝试将较小面积的线路插入该线路,该额外的线路会与网络的其他部分失去联系。

  2006年,Ashtekar及其同事利用这一事实报告了一系列的模拟,利用量子引力理论反转时钟,观察大爆炸之前发生的事情。今年,乌拉圭大学的物理学家Rodolfo Gambini和路易斯安那州立大学的Jorge Pullin报告了类似的黑洞模拟。他们发现黑洞中心没有奇点,而是有一个小的时空隧道,可以进入另一个空间。

  环量子引力理论不是一个完整的统一理论,因为它不包含任何其他的力量。另外,物理学家还没有发现这个信息网络中常见的时空。然而,德国马克斯普朗克研究所的物理学家丹尼尔·奥里蒂(Daniele Oriti)希望从凝聚的物理学家的作品中找到一些启发。 Oriti和他的同事正在寻找描述宇宙如何变化的公式,并从一系列离散的周期转变为一个持续的平坦的时空。

  因果关系理论

  其他理论上的挫折使得一些科学家追求最低限度的因果关系理论。由加拿大滑铁卢环境与理论物理研究所的物理学家拉斐尔·索尔金(Rafael Sorkin)领导的这项研究假设时空的基石只是一个数学问题,通过链接连接起来,每一个环节都与过去相连未来。这个联系是因果关系的简单表示,意味着早点会影响以后的点,反之亦然。由此产生的网络就像一棵正在成长的树,逐渐积累起来的空间和时间。

  在20世纪80年代后期,索尔金用他的框架来衡量宇宙中包含的可观测点的数量,并推断出它们产生的小的内在能量导致了宇宙的加速爆炸。几年之后,黑暗能量的发现证实了他的猜想。如果暗能量值较大或为零,则排除因果关系理论。伦敦帝国学院的量子引力研究员Joe Henson说。

  因果动态三角测量

  然而,因果关系理论并没有提供任何其他可预测的预测。一些物理学家发现,使用计算机模拟可以产生更多的结果。在20世纪90年代早期,一个想法开始发展宇宙的基本组成部分,这些基本组成部分是在量子涨落的粗略估计中,在小的聚集体中获得的,观察到这些小聚集体如何自发聚集成更大的结构。

  荷兰尼希米大学的物理学家Renate Loll说,最初的努力令人失望。时空构建块只是简单的锥体,模拟的聚合规则使它们自由组合,产生了一系列奇异的宇宙,其维度太多或太少,重迭或成为碎片。这是一个混乱的实验,最终不会导致我们所看到的宇宙的任何外观。 (张冬)

  “中国科学”(2013-09-03第3版国际)