相对论性的引力与经典物理学的量子理论的非线性结合
发布时间：2023-06-30 10:02:15 所属栏目：外闻 来源：未知
导读： 理论界将量子力学纳入到科学理论之中,同时将量子理论与广义相对论联系起来。这样的理论有望在所谓的普朗克尺度上对时空的微观结构提供令人满意的描述，在这个尺度上，成分理论的所有基
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理论界将量子力学纳入到科学理论之中,同时将量子理论与广义相对论联系起来。这样的理论有望在所谓的普朗克尺度上对时空的微观结构提供令人满意的描述，在这个尺度上，成分理论的所有基本常数c（真空中的光速）、ℏ（缩小的普朗克常数）和G（牛顿常数）共同构成质量、长度和时间单位。 这个尺度与目前的实验能力相去甚远，以至于按照标准路线对量子引力图案进行经验测试几乎是不可能的。 在大多数（尽管不是全部）量子引力理论中，引力场本身也是量化的。由于当代引力理论，即广义相对论，将引力描述为物质和能量对时空的曲率，引力的量化似乎意味着时空几何的某种量化，量子时空。 由于所有现存的物理理论都依赖于经典（非量子）时空背景，这不仅带来了极端的技术困难，而且对哲学家和物理学家来说也是深刻的方法论和本体论挑战。尽管量子引力成为物理学家研究的对象已近一个世纪，但哲学家们才刚刚开始研究其哲学意义。 荷兰艺术家埃舍尔的优雅图形悖论受到许多人的推崇，尤其是哲学家、物理学家和数学家。 他的《上升和下降》作品，依靠视错觉来描绘实际上是不可能的情况。其他作品在广义上是矛盾的，但并非不可能。 相对论描绘了物体的连贯排列，尽管在这种排列中，重力以一种陌生的方式运作。(量子引力本身可能就像这样，一个不熟悉的但却连贯的熟悉元素的排列。 或者它可能更像"上升 "和 "下降"，一个不可能的结构，在其局部细节上看起来是合理的，但在使用目前现有的建筑材料时，却不能组合成一个连贯的整体。 如果后者是真的，那么量子引力理论的构建可能需要完全陌生的元素。无论最终结果如何，目前的情况是一种变化，有许多竞争性的方法在争夺奖项。 同样重要的是要注意到，奖项并不总是相同的，弦理论家寻求一种所有四种相互作用的统一理论，这种理论有能力解释诸如基本粒子的代数和其他以前无法解释的特性。 其他的方法则比较温和，只寻求使广义相对论与量子理论相一致，而不一定要援引其他的相互作用。 量子引力问题对不同的研究者来说可能意味着非常不同的东西，对一个小组来说构成可能的解决方案的东西对另一个小组来说可能不符合条件。 鉴于量子引力还没有作为一种有效的物理理论而存在，人们有理由质疑哲学家在这个阶段是否有必要参与。 哲学家的任务将与处理一个或多或少已确定的理论体系时面临的任务有些不同，比如经典牛顿力学、广义相对论或量子力学。在这种情况下，人们通常通过假设理论或理论框架的物理合理性来进行，并引出理论的本体论和可能的认识论后果，进一步试图理解该最优化理论告诉我们关于自然状态的空间、事件时间、现实中的物质、因果关系等的本质规律是什么。 量子引力理论被一系列技术和概念问题、疑问和问题所困扰，使它们在很大程度上不适合于这种解释方法。就弦理论而言，甚至没有一个真正的 "理论 "可言，只是有一些线索指向许多人希望有一天会成为一个适用的、一致的物理理论。 对更广泛和更开放的探究形式有兴趣的哲学家会发现很多东西值得思考，而且完全有可能未来的物理学哲学家会因为量子引力的特殊性质而面临非常不同风味的问题。 量子引力为物理学哲学家提供了一个独特的机会，使他们 "有很好的机会做出一些积极的贡献，而不仅仅是在哲学上分析物理学家已经建立的东西"。 这种情绪已经得到了一些物理学家的响应，尤其是卡罗-罗维利(被称为环量子引力的方法的核心设计师)，他抱怨说，他希望哲学家不要把自己限制在"评论和抛光目前零散的物理理论，而是要冒险尝试向前看"。 这提出了一个重要的观点，尽管从哲学研究的角度来看，我们认为广义相对论和量子理论是 "不错的 "理论，但在一个非常现实的意义上，它们并不是故事的全部，在极端的尺度上会被打破。 引力与量子理论的相遇，将量子理论和引力调和成某种形式的量子引力的困难来自于广义相对论（爱因斯坦的引力相对论）和量子场论（描述其他三种力（电磁力和强、弱和相互作用）的框架）表面上的不兼容。为什么会出现不相容的情况。 广义相对论是由爱因斯坦方程描述的，它相当于对时空曲率的约束（左手边的爱因斯坦张量），由于质量和其他形式的能量的存在，如电磁辐射（右手边的应力-能量-动量张量）。 在这样做的过程中，他们设法包含了传统的、牛顿式的引力现象，如两个或多个大质量物体的相互吸引，同时也预测了一些新的现象，如这些物体对光线的弯曲和红移（已被观测到）以及引力辐射的存在。 直到最近，随着对引力波的直接探测，这当然只是通过双星脉冲星周期的减少而间接观测到的。 在广义相对论中，质量和能量是以纯粹的经典方式处理的，这里的 "经典 "是指诸如各种场的强度和方向以及粒子的位置和速度等物理量具有确定的数值。这些量由张量场表示，即与每个时空点相关的（实数）数字集。 在某一点（x,t）的电磁场的应力、能量和动量Tab(x,t)，是该点的电场和磁场E和B的三个分量Ei, Ej, Ek, Bi, Bj, Bk的函数。这些量又通过爱因斯坦方程决定了时空 "曲率 "的一个方面，即一组数字Gab(x,t)，它又是时空公制的一个函数。 公制gab(x,t)是一组与每个点相关的数字，它给出了与相邻点的距离。根据广义相对论的世界模型包括一个具有公制的时空流形，其曲率受到物质分布的应力-能量-动量的制约。 所有的物理量，某一点的电场X分量的值，某一点的时空标量曲率，等等--都有确定的数值，由实数（相对于复数或虚数）给出。因此，在上述意义上，广义相对论是一种经典理论。 问题是，我们关于物质和能量的基本理论，即通过电磁力和强、弱核力描述各种粒子相互作用的理论，都是量子理论。在量子理论中，这些物理量一般来说没有确定的数值。 在量子力学中，电子的位置可以以任意高的精度被指定，但代价是在描述其动量时失去了特异性，因而失去了速度。同时，在被称为量子电动力学（QED）的电磁场量子理论中，与电子相关的电场和磁场也存在相关的不确定性。 物理量是由量子状态描述的，它给出了许多不同数值的概率分布，一个属性（如位置、电场）的特异性增加（分布变窄）会引起其典型共轭属性（如动量、磁场）的特异性降低。这是海森堡不确定性原理的一个表达。 在量子引力的背景下，波动的几何学被称为 "时空泡沫"。同样，如果人们把注意力集中在空间几何上，它就不会有明确的轨迹。 从表面上看，广义相对论和量子理论之间的不相容性可能看起来相当微不足道。为什么不直接遵循QED的模式，将引力场量化，类似于电磁场被量化的方式。这或多或少是所走的道路，但它遇到了非凡的困难。 一些物理学家认为这些 "仅仅是 "技术上的困难，与引力相互作用的非可归一性有关，以及随之而来的在普通量子场理论中被证明有效的微扰方法的失败。然而，这些技术问题与物理学家和哲学家都感兴趣的一系列艰巨的概念性困难密切相关。 概念上的困难基本上来自于引力相互作用的性质，特别是引力和惯性质量的等价性，这使得人们可以把引力表示为时空本身的属性，而不是在（被动）时空背景中传播的场。当人们试图对引力进行量化时，就会使时空的某些属性受到量子波动的影响。 在引力的经典量化中，人们分离并量化了作为位置和动量变量的几何量（大致是三维空间的内在和外在曲率）。鉴于不确定性原理和量子理论的概率性质，人们有一个涉及空间几何学波动的图景，就像QED中电场和磁场的波动一样。 但是普通的量子理论预设了一个定义明确的经典背景，在此基础上定义这些波动，因此人们不仅在给出量化程序的数学特征方面遇到了麻烦（如何考虑有效时空结构中的这些波动），而且在给出所产生的理论的概念和物理说明方面也遇到了麻烦，如果人们成功的话。 一个波动的尺度似乎意味着一个波动的因果结构和事件的时空排序，在这种情况下，我们如何在量子理论中定义等时换算关系。 这个问题的概念性要求有一个概念性的解决方案。提倡"本体论的综合"。这种方法要求对量子引力的两个成分理论的本体论图景进行分析，以便能够正确评估它们的一致性。 本体论是指主要的、自主的结构，理论中的所有其他属性和关系都是由这些结构构建的。 对广义相对论和量子场论各自施加的本体论约束进行相当简单的检查，就会发现严重的紧张关系，广义相对论抛弃了时空的固定运动结构，因此定位就变成了关系性的，但在量子场论中，固定的平坦背景是其本体论基础的一部分，理论的标准特征就是从这里衍生的。 正如我们所看到的，量子场论涉及点附近的量子波动，而广义相对论则涉及使用光滑的点邻域。无论怎样，为了把这两个本体论的基础结合起来，必须拆除其中的某一块建筑。 解决这种紧张关系的最好办法是把注意力集中在各自理论的那些必要的原则上。普遍耦合的引力特性是必不可少的，但他指出这并不要求连续性，因此可以保留前者而抛弃后者，而不使框架不一致，从而允许量子理论的剧烈波动。 量子场论需要一个固定的背景，以便对量子场进行定位并建立因果结构。但他指出，一个关于定位的关系性说明可以执行这样的功能，让场相对于彼此进行定位。 这样一来，人们就可以设想出一种衍射协变的量子场理论，即不涉及对时空流形各点上定位的场的参考。由此产生的综合实体（一个剧烈波动的、普遍耦合的量子引力场）将是引力的量子理论应该描述的东西。 虽然这种方法表面上听起来很合理，但要在理论建设的建设性阶段真正付诸实践并不容易。 因果体方法旨在为量子引力理论提供一个框架，其想法是发展一个一般的形式主义，尊重广义相对论和量子理论的关键特征，广义相对论被他认为是动态的（非概率的）因果结构，而量子理论被他认为是概率的（非动态的）动力学。 因果体是一个实体，它编码了理论中所有可以计算的东西。这里的部分问题是，哈代的方法假定本体论原则在普朗克尺度上成立。然而，完全有可能这两种输入理论在更高的能量下崩溃。 不仅如此，建立他所建议的那种（物理上现实的）衍射不变的量子场理论的技术困难到目前为止被证明是一个不可逾越的挑战。框架中缺少的一个关键方面是关于什么是可观测变量的概念。这个概念是由物理学家约翰·费希尔提出的，他认为，如果我们能够找到一种方法来测量光子的速度，那么我们就可以计算出它的质量。 （编辑：财气旺网 - 财气网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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