当薛定谔的猫掉入黑洞内,会碰撞出什么样的火花

当薛定谔的猫掉入黑洞内,会碰撞出什么样的火花
2020年01月22日 23:30 新浪网 作者 通搜美食美味

薛定谔的猫代表量子力学,黑洞代表广义相对论,它们会如何结合?引力是人类认识到的第一种基本力,但它仍然是人们最不了解的。物理学家可以精确地预测引力对保龄球、恒星和行星的影响,但没有人知道引力如何与微小粒子或量子相互作用。

近一个世纪以来,人们一直在寻找一种量子引力理论——描述这种引力如何作用于宇宙中最微小的物体。这是由一个简单的预期所驱动的:一个万有引力定律手册应该统治所有星系、夸克和它们之间的一切事物。

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广义相对论的边缘

理论物理学中最棘手问题的核心在于这一领域的两大成就之间的冲突。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论用物质弯曲周围时空的描述取代了艾萨克·牛顿关于物体间简单引力的概念。在爱因斯坦的方程中,引力是时空本身的形状,物体沿着这些弯曲的路径运动,就好像它们相互吸引一样。

广义相对论陆续通过了天体物理学家对它的每一个测试,包括爱因斯坦从未想象过的情形。但是大多数专家预计爱因斯坦的理论有一天会失败,因为宇宙最终看起来是崎岖不平的,而不是平坦的。

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行星和恒星实际上是原子的集合,而原子又是由电子和夸克构成的。这些小粒子通过交换其他类型的粒子而结合或分裂,从而产生吸引力和排斥力。例如,电磁力来自于交换被称为虚光子的粒子。将磁铁粘在冰箱上的力可以描述为一个平滑的经典磁场,但磁场的精细细节取决于产生磁场的量子粒子。

在宇宙的四种基本力(引力、电磁力和强弱核力)中,只有引力缺少“量子”的描述。因此,没有人确切地知道(尽管有很多想法)引力场是从哪里来的,或者单个粒子在引力场中是如何作用的。

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奇怪的力

尽管重力使我们困在地面上,但广义相对论认为它不是一种力,而是空间本身的形状。其他量子理论将空间视为测量粒子飞行距离和速度的平坦背景。当空间小到和电子一样的时候,忽略粒子的空间曲率是有效的,因为引力比其他力弱得多,这时空间看起来是平坦的。引力和时空曲率的影响只有在行星和恒星这种级别的大小才会明显。当物理学家试图计算电子周围空间的曲率时,因为它很小使得数学计算却变得不可能。

20世纪40年代末,物理学家发展了一种称为重正化的技术,用以处理量子力学的变幻莫测,它允许电子以各种各样的方式为无聊的旅行增添趣味。例如,它可能会射出一个光子。光子可以分裂成一个电子和它的反物质正电子。这对正负电子可以发射出更多的光子,这些光子可以分裂成更多的正负电子对,以此类推,非常有趣。

虽然一个完美的计算需要计算出电子旅程的无穷变化,重正化让物理学家把不受控制的可能性收集到几个可测量的数字中,比如电子的电荷和质量。他们无法预测这些值,但他们可以把实验结果代入,并利用它们做出其他预测,比如电子的走向。

当被称为引力子的理论粒子进入场景时,重正化就无法工作了。引力子也有自己的能量,这会产生更多的空间扭曲,继而产生更多的引力子,接着又会产生更多的扭曲,更多的引力子,等等,通常会导致一个巨大的数学混乱。即使物理学家试图把一些无穷大的东西堆在一起进行实验测量,他们最终还是淹没在无穷多的堆里。

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在实践中,当大量的质量和能量把空间扭曲得如此之紧,甚至连电子和它们的同类也不得不注意时,这种处理粒子周围曲率的失败就会变得致命——比如黑洞的情况。

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将引力带入褶皱

利用广义相对论的近似值(恩格尔哈特称之为“创可贴”),物理学家已经对引力子的样子有了一个概念。像木星一样重的粒子对撞机需要100年的实验才能探测到一个。因此,理论家们正在重新思考宇宙中最基本元素的本质。

一种被称为环量子引力的理论,旨在通过将空间和时间分解成小块来解决粒子和时空之间的冲突——这是一种无法超越的终极解决方案。

弦理论是另一个流行的理论框架,它采用了一种不同的方法,用纤维状的弦代替了粒子,而纤维状的弦在数学上比点状的弦表现得更好。这个简单的改变会带来复杂的后果,但一个很好的特点是,重力不再是数学计算的一部分。恩格尔哈特说,即使爱因斯坦和他的同时代人从未发展出广义相对论,物理学家后来也会在弦理论中发现它。

根据恩格尔哈特的说法,弦理论学家们已经发现了更多的迹象,表明在最近几十年里,弦理论的发展是卓有成效的。简单地说,空间本身的概念可能会分散物理学家对宇宙更基本结构的注意力。

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