万物理论只是一种迷思吗?

时间:2023-12-02 03:59:03

我们对于万物理论的追寻,寄希望于破坏爱因斯坦所珍视的一个平衡。现代物理学中有大量的巧合用于平衡,尤其是在人们对质量的审视视角和定义上,这一点让人不安。爱因斯坦宣称这种巧合是一种自然法则,并把由此推导出的等效原理作为他广义相对论的基础。但是如果我们可以发现一个更广博、更好的理论,可以将引力和其他的作用力统一起来,那么也许我们就不得不舍弃等效原理。

等效原理有着几种不同的形式,但是它们的本质是一致的:你无法对引力场的效应和加速运动的效应加以区分。站在地球上的电梯里的人,其受到的引力是往下的。如果我们把电梯放到太空中,并且用火箭将其加速,现在电梯里的人所受的向下的力与之前如出一辙。在这个例子里,是乘电梯的人的惯性让其没有四处乱飘。惯性是万事万物抵抗加速的本性——正是由于这个效应,当司机踩下油门时,你会被推向车座。

两个电梯的情景中有着一个相同的属性:质量。但是两个质量有不同的起源。第一个是引力质量,它会受引力的吸引作用影响,在引力场中试图加速物体。另一个是惯性质量,这是物体抵抗加速度的固有性质。另一种表述等效原理的方法是说,这两个质量在数值上永远精确相同。如果不是的话,不同质量的物体会以不同的速度落向地球。实际上,这一等效性主宰着宇宙万物的引力作用。如果引力质量对引力的响应比起惯性质量对加速度的响应大上那么一些,那么行星围绕恒星、恒星围绕星系中心的运转速度就会快上那么一丁点儿。

在爱因斯坦的广义相对论里,引力不过是弯曲时空下的均匀运动。这里没有引力,所以引力质量是一个虚幻的概念,在等效原理下,这种巧合就不是巧合了。但是如果引力要和别的作用力一样融合到量子的框架下,它就需要结合到一些事物上,就好像电磁作用结合到电荷上一样。它需要将引力质量与惯性质量区分开。

万物理论只是一种迷思吗?

采访:万物理论无法回答所有问题

哈佛大学的物理学教授丽莎·兰道尔(Lisa Randall)认为,我们不应该执着于发现万物理论。

难道不是所有的物理学家都对一个简洁的万物理论梦寐以求吗?

有很多物理学家不会这么想!开展研究时,我从来不会去想万物理论。而且哪怕我们知道了最终极的基础理论,你如何去解释我们坐在一起的这一事实?解算弦理论并不意味着我们对人性就有了充分了解。

那么万物理论只是一种迷思吗?

它不是一个谬论,而是一个可以启发进程的目标。我只是认为要实现,这个挑战还是太大了点。

难道漂亮的数学公式不应该把我们引向真相吗?

在你将“漂亮”作为指导时,你得千万小心了。很多人们曾经认为不漂亮的理论,一段时间后会被人认为漂亮,反之亦然。我认为简洁是一个好的指导:一个理论越是简洁,就越好。

我们目前最好的关于粒子物理学和宇宙学的理论这样的一团乱麻,是不是一个大问题?

我们试着从1027米到10-35米的尺度上去描述宇宙时,脑子里有千奇百怪的想法并没有什么好惊讶的。如果坚持认为组成我们宇宙的已知成分就构成了宇宙的全部,那才是荒谬的。暗物质和暗能量都算不上往理论里加过的最疯狂的成分。

更深刻,更精确

一种证伪爱因斯坦等效原理的方法就是尝试去证明两种质量(即引力质量和惯性质量)并不是完全相同的,而只是非常接近。二者之间即使最微小的差别都能说明,广义相对论其实是某种更深刻、更准确的理论的近似。

最近,不来梅大学的落塔实验对铷原子和钾原子进行了自由落体的检验,没有获得偏离等效原理的结果。两种原子的掉落速度精确相同——精确到了小数点后11位。与此同时,在美国西雅图的华盛顿大学,埃里克·阿德伯格(Eric Adelberger)和他的埃特–沃实团队使用了一套他们称之为扭摆的高科技产品,来比较由不同元素——包括铜、铍、铝和硅——组成的标准质量块的运动。他们的测试精度冠绝古今,在13位有效数字的精度下没有获得偏离等效原理的结果。由法国主导的显微镜(MICROSCOPE)实验卫星于2016年4月发射,目标是检验铂块和铱块在空间微引力环境下的运动。

与此同时,理论物理学家奋战于另一条战线。他们指出,还没有人能够对惯性给出令人信服的解释。有一件事是确凿无疑的:并非所有的质量都来自希格斯场。尽管人们一般认为希格斯场赋予了如电子和夸克这样的基本粒子以质量,但是当夸克结合成质量更大的粒子,如结合成普通物质大部分质量来源的质子和中子时,最后得到的质量大概是其中包含的夸克总质量的1000倍。这多出来的质量并非源于希格斯机制,而是来自将夸克凝聚在一起的能量。尽管原因未知,但这两种效应一定会组合到一起,并与某种第三者一起创造出物体抵抗加速度的性质。

加速的观测者

接下来该怎么办?这可能与20世纪70年代加拿大物理学家威廉·盎鲁(William Unruh)等人提出的某种效应有关。他们将广义相对论和量子力学的概念结合起来,宣称加速的观测者能从真空中看到辐射。

来自德国亚琛的马克斯·普朗克地外物理所的天体物理学家伯纳德·海施(Bernard Haisch),和来自美国加州州立大学长滩分校的电气工程师阿方索·吕埃达(Alfonso Rueda)意识到,真空与加速物体的作用会充斥整个空间,这将产生一种与物体运动方向相反的力。他们起初将其和带电粒子在磁场中所受的力——洛伦兹力——比较,两者都会改变物体的运动。在这个例子里,量子真空与物体发生了电磁相互作用。

英国普利茅斯大学的迈克·麦卡洛克(Mike McCulloch)认为,这种相互作用恰恰就是打破等效原理所需要的。盎鲁辐射应该由不同波长的光组成。对很小的加速度而言,对应的是极长的波长。如果加速度小到一定程度,那么光波的波长甚至会超过可观测宇宙的尺度,相当于发生了截断。因此,根据麦卡洛克在2007年的计算,一个物体受到的盎鲁辐射总量会降低,所受到的相反方向的力也就更小。它的惯性因此就减小,这使得相比标准的牛顿运动定律给出的预言,它的运动更容易些,这样也就打破了与引力质量的联系。

反常运动

这个想法的问题在于检验。在地球的高引力环境下,可以显示此类效应的微小加速度很难实现,但是这种效应在如星系边缘的低引力环境下就能被观测到。实际上,鉴于大部分旋涡星系的反常运动,麦卡洛克认为这种机制可能就可以解释一个长久以来的谜题——暗物质。

老实说,这个想法并没有引起太大的轰动。当海施和吕埃达得出他们的辐射机制时,很是打动了NASA,以至于NASA愿意资助两人进行更进一步的研究,他们两个也吸引到了大约两百万美元的私人投资。然而,由于这个辐射机制缺乏如何体现这种力(即上文所说的与物体运动方向相反的力)存在效应的、可以被检验的预言,这个项目的投资很快见底,而投资人的兴趣也没有了。

在2010年,以巴西塔茹巴联邦大学的维托利奥·德·洛伦西(Vitorio de Lorenci)为首的3位巴西天文学家提出了一种新的检验方法。如果你用一个旋转的盘子来抵消地球的自转和公转,那么在微小的加速度下盘子的惯性就会减小,由此其转速会比牛顿运动定律所预言的更快一些。然而,尽管这个项目花费不多,仍然没有足够的资金资助。

要打破僵局,除非有人能揭示等效原理的谬误之处,或者从原理出发证明等效原理一定成立。如果引力质量的确是惯性质量在另一种形式下的表现,那么引力就真的是弯曲时空下的幻景,就如同广义相对论所预言的一般。到头来,量子化的引力理论(包括弦理论在内)都不过是祭坛上的牺牲品。