海外文摘——限制量子引力效应




限制量子引力效应
Sean Carroll 文 Shea 译
	量子引力理论始终让人捉摸不定。现在，对蟹状星云辐射的观测又为量子引力效应设下了更为苛刻的限制条件。　　几十年来，物理学家一直在探究综合了量子力学和广义相对论的量子引力理论。但是，这一研究领域的一大难点就是缺乏详尽的实验数据，而且大家普遍认为对量子引力效应的直接探测已经超出了目前乃至是可预知将来的科学实验的范围。由于量子引力效应会导致时空对称性的微小扭曲，而这种扭曲可以通过观测在高能或者大尺度下粒子的行为来探测，因此如果我们运气足够好，就能探测到量子引力效应。然而，在本期的《自然》杂志上，雅各布森（Jacobson）等人撰文，他们的观测显示我们的运气可能并不好。　　在十九世纪晚期，马克斯·普朗克在研究黑体辐射时引入了一个新的物理常数——普朗克常数h。几乎同时，普朗克发现把这个常数与光速c和牛顿引力常数G进行组合可以得到长度、能量、质量和时间单位，现在我们称之为普朗克长度、普朗克能量等等以此类推。普朗克为此喜出望外，认为地外文明也能理解这些物理单位，为文明间的交流创造了可能。　　普朗克单位组合了狭义相对论（c）、广义相对论（G）和量子力学（h）中的物理参量，因此这些量是否预示了在某一点量子引力会显现出来呢？例如，总能量超过普朗克能量的两个粒子发生碰撞，量子引力就会在其中起到重要的作用。不幸的是，普朗克能量的值高达10^19GeV，超出目前最强大粒子加速器所能达到的能量16个数量级。因此，很难甚至是不可能获得任何与量子引力有关的直接的实验数据。　　但是除非能够认识量子引力，否则我们对物理学的认识就始终存在缺憾。所以，有必要通过一些聪明的办法来观测先前认为无法观测到的量子引力效应。一种可能的办法是观测洛伦兹不变性的破缺（并不是所有的量子引力理论都包含了这一不变性的破缺）。洛伦兹不变性是狭义相对论的基石，它认为没有绝对的静止，所有的惯性参考系都等价，而且对于所有的观测者光速都保持不变。但是这也许只是一个近似，如果在极小的尺度上时空是离散而不是平滑连续的话，洛伦兹不变性就可能发生破缺。　　天体物理学现象为检验这一观点提供了一条途径。一个唯象的模型已经被提出，其中洛伦兹不变性的破缺会导致与粒子能量和动量有关的色散关系。其结果是不同频率的光子会具有略有不同的速度，这一效应也许会在可观测的程度上影响γ射线暴的辐射。同时这一模型会引入与普朗克能量相除的无量纲量，因此通过对这些无量纲量的测量就能确定量子引力效应的可探测条件。　　如果我们把目标锁定为光子和电子，我们就可以得到两个参数化的洛伦不变性破缺的无量纲量。令人惊讶的是，一系列天体物理观测和地面实验的结果已经排除了许多这些参数的可能取值，并且将可探测条件的能量值确定在普朗克能量之上，当然这一领域还存在着一定的不确定性。不过现在雅各布森的观测在一定的动力学假设下，已经排除了在低于普朗克能量的情况下出现洛伦兹不变性破缺的可能性。同时，地面上的实验也给出了相似的结果。 [图片说明]：蟹状星云。　　雅各布森等人研究了蟹状星云的同步加速辐射。在同步加速辐射中为了能产生高能光子，电子必须以接近光速的速度运动。如果洛伦兹不变性发生破缺，那么光子和电子的最高速度就会出现微小的差异，由此会导致一个产生同步加速辐射的截止频率。通过对同步辐射的观测，雅各布森等人得出了洛伦兹不变性的极限。在他们的计算中有一个关键的假设，他们认为光子和电子的运动可以用低能情况下的局域场论予以描述。这一假设看上去是合理的，不过在这一领域也存在着一些特例。因此，对普朗克尺度效应的探测还留有一定的余地。　　通过洛伦兹不变性的破缺来寻找量子引力效应可能是一种乐观的做法，因为在最终的量子引力理论中可能完全不包含这一特性。但是，如果要在这一领域有所进展，我们就必须学会乐观。雅各布森等人为观测洛伦兹不变性破缺给出了新的条件，同时另一个可能是洛伦兹对称性也会发生破缺，不过它位于更高的量级上。因此，我们应该充满希望，在更小的尺度上去探测时空的结构。
出自：Nature 发布日期：2003-08-28

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