你有沒有好奇過這件事:GPS導(dǎo)航能把你的位置精確到幾米,衛(wèi)星在天上飛,地面上的時(shí)鐘必須用相對(duì)論修正才會(huì)準(zhǔn),可以說,我們?cè)诖蟪叨壬弦呀?jīng)把引力安排得明明白白。但一旦把鏡頭推到原子核、電子、光子那種微觀世界,引力就突然變成最難搞定的那一個(gè)。物理學(xué)家們花了幾十年想給引力找一套“量子說明書”,讓它和其它三種基本力一樣,能用粒子和交換來理解。可惜,至今沒有一個(gè)理論被證實(shí),甚至絕大多數(shù)方案都還沒被嚴(yán)格檢驗(yàn)過。
最近,這個(gè)僵局可能悄悄裂開了一道縫。不是又冒出第N個(gè)量子引力理論,而是一個(gè)思路清奇的新想法,干脆不再試圖把引力“量子化”。這個(gè)理論叫“后量子引力”,由倫敦大學(xué)學(xué)院的喬納森·奧本海姆提出。它最炸的推論之一,聽起來甚至有點(diǎn)好笑:時(shí)間,其實(shí)并不像我們想象得那么守規(guī)矩——它在極其微小的尺度上會(huì)隨機(jī)搖晃,像喝醉的節(jié)拍器一樣搖搖擺擺地往前流。如果這個(gè)猜想站得住腳,那我們對(duì)“時(shí)間”的根本看法可能要重寫。
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為了讓你一目了然,先在心里畫一張圖:你腦子里那根絕對(duì)平滑的時(shí)間線,現(xiàn)在變成了一根微微發(fā)顫的琴弦。過去我們認(rèn)為每一秒的間隔都分毫不差,但在這張新圖里,那些刻度之間的空隙時(shí)大時(shí)小,像心跳的微細(xì)節(jié)律,不靠任何外力,自己就在抖。好,接下來我們就拆解這張圖:為什么時(shí)間會(huì)晃?這晃動(dòng)從哪來?它又為什么可能解開引力最大的謎團(tuán)?
先得交代背景,這很重要。物理學(xué)目前有兩個(gè)臺(tái)柱子:一個(gè)是廣義相對(duì)論,管大,管星系、黑洞、時(shí)空彎曲;另一個(gè)是量子力學(xué),管小,管粒子、概率、疊加態(tài)。兩個(gè)臺(tái)柱子在自己的地盤都精準(zhǔn)得不像話,可一旦想把它們拼在一起,就好比讓兩個(gè)人用兩種語法完全不同的語言合作寫小說,處處打架。其他三種力——電磁力、弱力、強(qiáng)力——都已經(jīng)順利拿到了“量子身份”,也就是說我們能找出傳遞這些力的粒子,比如光子傳電磁力。唯獨(dú)引力,科學(xué)家找了不知道多久,想找到那枚假想中的“引力子”,卻始終兩手空空。引力到底是不是量子的?這是目前物理學(xué)最折磨人的問題。
絕大多數(shù)想縫合兩者的大統(tǒng)一嘗試,都走量子引力這條路:試圖把時(shí)空本身也切成一份一份的小塊,把引力用粒子的語言翻譯出來。聽起來理所當(dāng)然,對(duì)吧?可喬納森·奧本海姆偏偏不這么想。他提出的后量子引力,從起點(diǎn)就反著來:不是把時(shí)空量子化,而是完全保留時(shí)空的連續(xù)性。也就是說,在他的理論里,時(shí)空和引力不是由一堆微粒拼成的,沒有更小的“積木”,它們本身就是基本存在,像一塊絲滑的幕布,沒有經(jīng)線緯線。這和其它量子引力理論的底層邏輯徹底兩樣。
為什么要這么別扭?因?yàn)閵W本海姆和合作者們覺得,或許引力就是那唯一的例外,它根本就不是量子。我們一直先入為主地認(rèn)為所有力都得有量子身份,但自然界也許就是故意留了一個(gè)不量子的力,讓時(shí)空當(dāng)個(gè)“旁觀者”,承載一切量子的把戲。這種連續(xù)時(shí)空的設(shè)定,背后是一大串極度復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和模擬,演算如果非量子的時(shí)空和完全量子的物質(zhì)、力、場(chǎng)相互作用,會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象。
結(jié)果,從那一串復(fù)雜計(jì)算里蹦出來的第一個(gè)反直覺的產(chǎn)物,就是時(shí)空自身出現(xiàn)了一種奇異的隨機(jī)性——時(shí)間開始“搖晃”。平時(shí)我們想到時(shí)間,總會(huì)聯(lián)想到一個(gè)滴滴答答的標(biāo)準(zhǔn)鐘,每個(gè)滴答之間的間隔嚴(yán)格相等,像士兵踏步。但在后量子引力里,這些滴答之間會(huì)混入極細(xì)微、完全隨機(jī)的偏差,就像鐘表內(nèi)部突然有了自己的小脾氣,一會(huì)兒趕一點(diǎn),一會(huì)兒拖一點(diǎn)。這種搖擺發(fā)生在太小的尺度上,我們?nèi)粘8靖杏X不到,但時(shí)間的流逝確實(shí)會(huì)變成一種“不穩(wěn)”的狀態(tài),不可預(yù)測(cè)地向前流淌。
這里得說清楚,時(shí)間晃動(dòng)搖擺這個(gè)說法,不是某種哲學(xué)比喻,而是實(shí)實(shí)在在從方程里冒出來的行為。這些小小的隨機(jī)波動(dòng),恰恰成了后量子引力能夠和量子力學(xué)握手的媒介。當(dāng)把這些搖擺放進(jìn)基礎(chǔ)的量子力學(xué)計(jì)算里,一件有趣的事發(fā)生了:過去我們?cè)诹孔恿W(xué)里觀察到的幾個(gè)基本現(xiàn)象,居然自動(dòng)浮現(xiàn)了出來。其中最典型的,就是那個(gè)關(guān)于“觀察”的規(guī)則——量子系統(tǒng)一經(jīng)觀測(cè),就會(huì)從量子疊加態(tài)變成確定的經(jīng)典狀態(tài)。也就是著名的薛定諤的貓悖論:盒子沒打開之前,貓可以處于又生又死的疊加態(tài),一旦打開盒子看一眼,貓就只能是生或死,不再模糊。
后量子引力帶來的時(shí)空隨機(jī)搖擺,相當(dāng)于給量子世界加上了一層無處不在的“背景噪音”。這個(gè)噪聲讓量子疊加態(tài)變得極不穩(wěn)定,就好像你要在一個(gè)持續(xù)微顫的盤子上摞好幾枚硬幣,摞不了多久就會(huì)塌成一種確定的樣子。也就是說,時(shí)間的這些微細(xì)搖擺,可能是導(dǎo)致量子系統(tǒng)“退相干”進(jìn)而呈現(xiàn)出經(jīng)典世界的根本原因之一。我們一直以為觀察者效應(yīng)需要某個(gè)有意識(shí)的主體或者測(cè)量設(shè)備,但也許真正讓貓不再同時(shí)生死的,是時(shí)空自己在輕輕顫抖。
不過,請(qǐng)注意,這一切都還是一個(gè)推論,不是定論。研究人員用詞非常謹(jǐn)慎,從方程里生出了這種隨機(jī)性,但到底是什么物理根源造成了時(shí)間搖擺,到現(xiàn)在還沒有明確的說法。奧本海姆和同事尚未把這種隨機(jī)漲落綁定到任何具體的物理效應(yīng)上。它就像一個(gè)懸在半空的效果:我們知道方程說它會(huì)存在,也看到它可能解釋量子力學(xué)的一些舊規(guī)則,可這波動(dòng)到底是誰推動(dòng)的?是時(shí)空深處某種未知結(jié)構(gòu)在呼吸,還是更高維度里的擾動(dòng)透射過來的影子?目前的答案很老實(shí):不知道。科學(xué)界對(duì)這種“從數(shù)學(xué)里掉出來但還沒找到媽媽”的現(xiàn)象,往往既興奮又警惕。
這也意味著,后量子引力還遠(yuǎn)沒有證明自己正確。它只是眾多候補(bǔ)理論中的一個(gè),特殊之處在于它提供了一個(gè)可能被實(shí)際檢驗(yàn)的窗口。近些年,實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們正試圖設(shè)計(jì)各種精巧的測(cè)量方法,去捕捉時(shí)空那極微尺度的“抖動(dòng)”。如果能測(cè)到這種隨機(jī)搖擺的特征,而且和理論預(yù)測(cè)對(duì)上號(hào),那我們對(duì)引力的理解就會(huì)徹底擺脫量子化的執(zhí)念;反過來,如果測(cè)量結(jié)果并不支持,那這套連續(xù)時(shí)空的設(shè)想也可能像許多前輩一樣被束之高閣。但至少,它已經(jīng)從純哲學(xué)思辨走到了可操作實(shí)驗(yàn)的邊緣,這本身就很讓人興奮。
回到開頭那張“微顫的琴弦”圖,我們大致走完了拆解的全程。在這幅圖里,時(shí)間不再是一條枯燥的直線,而是一個(gè)有自身隨機(jī)紋理的存在。這種紋理可能成為連接廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的那根針,把兩塊一直拼不起來的布縫合在一起。至于這根針最后是不是喬納森·奧本海姆給出的這一根,現(xiàn)在還早得很。不過,每次一想到“時(shí)間也許在偷偷晃”,我都會(huì)覺得世界好像又多了一點(diǎn)點(diǎn)古怪的可愛。畢竟,如果時(shí)間自己都站不穩(wěn),那我們偶爾的拖延癥,也不過是在跟著宇宙的節(jié)奏一起搖擺罷了。
而探究這種搖擺源頭的旅程,才剛剛開始。
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