海外文摘——量子引力：回到未来




量子引力：回到未来
Philip Ball 文 Shea 译
	在更高的精度下重复19世纪的物理实验，借此也许我们能首次一窥爱因斯坦相对论之后的新物理学。　　否定的结果并不总是坏消息。1887年，物理学家阿尔伯特·迈克尔孙（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）没有通过实验探测到“以太”的作用，而以太在当时被认为是光传播所需要的介质。当他们在俄亥俄州克里夫兰的地下室中检查他们的设备时，他们一定感到很失望。然而几年之后，在部分地由迈克尔孙-莫雷实验的鼓舞下，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出了具有革命性意义的相对论，完全改变了我们对空间、时间和引力的认识。　　现在，法国和德国的科学家正在以前所未有的精度重复迈克尔孙-莫雷实验，但是他们的目的并不是为了寻找以太。通过在极端条件下检验光速的不变性，他们希望能够发现爱因斯坦方程之后的新物理学的一些迹象。如果他们成功了，那么他们将是跨越实验极限进入奇异的“量子引力”世界的第一批人。即使是一个否定的结果——爱因斯坦的理论与实验相符，只要精度足够高，它也将排除或者修改量子引力理论。 [图片说明]：以更高的精度测量光速的光学共振器（顶图）。最初的迈克尔孙-莫雷实验装置（底图）。　　另外，科学家们也在宇宙中寻找超越爱因斯坦理论的新物理学。最近，马里兰大学的一个小组通过研究超新星的辐射来检验相对论。超新星就像是一个天然的粒子加速器，使得科学家可以研究比地球上的实验室所能提供的能量高得多的情况。随着能量的提高，相对论的破缺会变得越来越显著。统一理论　　马里兰小组的成员之一、现在在加州大学的大卫·马丁利（David Mattingly）说，现在通过实验可以检验哪些理论是正确的或者是错误的本身就是一个进步。“量子引力的研究者长期以来就缺乏实验的检验。现在有关的实验正在迎头赶上，”他说。　　科学家普遍相信大自然是和谐的。但是在过去的一百年中物理学家不得不使用两种不相容的理论来描述我们的宇宙。其中一个是关于引力的，也就是爱因斯坦的广义相对论，另一个是关于其他三种自然力——电磁力、强相互作用力和弱相互作用力——的量子理论。令人惊讶地是，这两个理论在绝大部分时间里相安无事，但是在极端条件下，例如在黑洞内部或者是“大爆炸”的极早期，这两个理论开始相互冲突。因此科学家们相信两者是某个统一理论的一部分，所以科学家们正致力于发展引力的量子理论，在这个理论中引力通过粒子传播。　　是什么使得迈克尔孙-莫雷实验如此特殊，以至于它可以第二次颠覆我们对宇宙的认识？在相对论提出之前，光被认为是在充满宇宙的以太中传播——就像声音在空气中传播一样。迈克尔孙和莫雷通过测量光在不同方向上的传播速度来探测以太。由于地球相对于以太的运动，他们预想会发现沿不同方向传播的光具有不同的速度。令他们吃惊的是，他们并没有发现这一差异——在所有方向上光传播的速度都是相同的。　　爱因斯坦解释了为什么会这样，其核心是相对论的基石之一——洛伦兹不变性。洛伦兹不变性由荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz）于1904年提出，他认为以不同速度运动的参考系中的物理定律是相同的。洛伦兹也曾经尝试用这一理论来解释迈克尔孙-莫雷试验，但是与排除以态的存在不同，他认为以太为所有的运动定义了一个“绝对”的参考系。光标准　　爱因斯坦毫不犹豫地去除了以太，但同时他又把洛伦兹不变性作为了相对论的基础。爱因斯坦认为没有绝对的参考系。相反，光速为所有的运动提供了一个不变的标准。更实际地说，洛伦兹不变性意味着实验的结果不依赖于实验室的运动速度和运动方向。爱因斯坦之所以将洛伦兹不变性纳入相对论是因为他需要用以描述光的电磁理论在任何一个参考系中都适用。　　这也是为什么迈克尔孙-莫雷实验仍然备受瞩目的原因，它使得我们可以在对新物理学一无所知的情况下，来检验相对论在什么精度下依然成立。　　一些量子引力理论预言，在极小的距离或者极高的能量下，洛伦兹不变性会破缺。因此物理学家正在他们的实验中寻找这一破缺的迹象。“对洛伦兹不变性的实验观察对于物理学而言是一个敏感的信号，”印第安纳大学的理论物理学家阿兰·科斯特利基（Alan Kostelecky）说。　　在法国和德国的实验室中，相对论的这一特性正在被高技术版的迈克尔孙-莫雷实验检验。两个小组都在寻找光或者微波穿过晶体共振器所需要时间的微小变化。为了获得高精度的测量数据，他们使用了蓝宝石共振器，并且将其冷却到液氦的温度。　　这些实验与在不同方向上测量光速的迈克尔孙-莫雷实验的本质是相同的。其重要性就在于测量由于参考系而造成的运动改变。例如，在以100km/h运动的火车上，沿着火车运动方向以20km/h的速度扔出一个小球，列车上的乘客认为小球以20km/h运动，而站台上的人则会认为小球以120km/h运动。　　以彼得·沃尔夫（Peter Wolf）为首的法国巴黎天文台小组及其澳大利亚的合作者测量了地球的自转和公转对环形共振器中光传播时间的影响。这一实验从两个方面检验了洛伦兹不变性，其中包括以不同方向运动的参考系——和迈克尔孙-莫雷实验相同，以及以不同速度运动的参考系。 [图片说明]：彼得·沃尔夫（右起第二个）和他的小组正在检测地球的运动对光速的影响。　　到目前为止，爱因斯坦的相对论顺利通过了这两个测试——沃尔夫的小组即使以高出先前的实验30倍的精度也没有探测到洛伦兹不变性的破缺。最近，这个小组正在改进他们的实验以期把精度再提高2倍。“这是我们能做到的最佳情况了，”沃尔夫说，“如果要更进一步的话，我们需要另一个实验方案。” 　　以海因里希-海因大学的史蒂芬·希勒（Stephan Schiller）和胡勃尔特大学的阿金·彼得斯（Achim Peters）为首的德国科学家小组在实验中使用了两个光学共振器，以此来比较两者的结果。他们说，这可以放大信号的振幅而且可以消除系统误差。他们发现的洛伦兹不变性的上限与沃尔夫小组的结果很接近。进入太空　　希勒希望能在OPTIS小型卫星上以高出1000倍的精度重复共振器实验。在太空中共振器受到的环境干扰远小于在地球上所受到的，这样可以使得实验更为精确。希勒和彼得斯的小组正在和德国布莱梅大学的空间研究者合作研发OPTIS项目，这一项目同时还会携带极为稳定的原子钟对相对论进行检验。　　OPTIS项目已经得到了德国空间局的资助，希勒希望能够获得欧洲空间局（ESA）的支持。“核心技术大约需要4年就能攻克，”他说，但是事情的关键在于获得ESA的支持。另一个基于太空的洛伦兹破缺研究将在国际空间站上进行。它既包括了迈克尔孙-莫雷实验还包括了一个原子钟，最早将于2005年发射。　　量子引力理论可能会是个什么样子？电磁力、强相互作用力和弱相互作用力的传播都需要“量子”粒子，例如，电磁相互作用靠光子传播。因此物理学家深信作为第四种力的引力也需要一个相关的“量子”粒子——引力子。　　但是现在还没有人能在符合广义相对论的框架下引入这一粒子。在广义相对论中时空结构是平滑而连续的，然而量子理论则要求它是分立的。分立的时空预计会出现在10^-35米这个无法想象的微小尺度上，这一尺度被称为“普朗克距离”。这一尺度比原子核的尺度还小20个数量级。“量子引力的奇特之处都出现在普朗克尺度上，”马丁利说。　　但问题是分立的时空不遵从广义相对论，而且许多量子引力理论认为在普朗克尺度洛伦兹不变性将会破缺。一些理论要求出现洛伦兹破缺，而另一些只是仅仅许可它出现。例如，量子引力理论的两大候选者——弦理论和环量子引力理论——都在不同程度上允许洛伦兹破缺的出现。弦理论希望在统一的数学框架下处理引力以及其他的基本力，但是它缺少具体的实验预言。环量子引力理论以更接近量子理论的形式修改了相对论原理，以此在普朗克尺度上产生分离的时空。高能　　在过去的20年中，不同的研究者发展了这些不同的理论。它们包括了许多的变化和特点，但是由于缺乏实验数据没有人知道哪个理论会成功。发展之后的弦理论中包含了多重膜状宇宙或者叫“膜世界”，它认为从另一个维度嵌入我们世界的弱引力子会导致洛伦兹不变性的破缺。在普朗克尺度的其他奇特行为以及时空结构——非连续时空几何以及自旋-泡沫模型——也会产生洛伦兹破缺。　　另一种一窥后相对论物理的途径是使用宇宙本身来探测在地球上无法制造的距离和能量尺度。与普朗克距离相关的是普朗克能量，其大小约为10²⁸eV。这一能量比在建的下一代粒子加速器所能提供的最大能量还高出了16个数量级。　　幸运的是，天体物理源可以解决这个问题。恒星坍缩暴发成的超新星不仅可以产生超高密度的中子星甚至黑洞，还可以产生超高能量的粒子。马丁利以及他的合作者特德·雅克布森（Ted Jacobson）和史蒂芬诺·莱伯瑞提（Stefano Liberati）将他们的目光集中在蟹状星云这个超新星遗迹上，那里电子的能量可以达到1.5×10¹⁵eV。 [图片说明]：蟹状星云被用来检验相对论，同时阿兰·科斯特利基提出可以用遥远星系的光来探测洛伦兹破缺。　　在这一能量下，电子几乎可以以光速运动，当它们因为星云的磁场而发生转向时就会发出高能X射线，就像在粒子加速器中一样。通过分析这些X射线，马丁利和他的同事可以确定电子运动的速度。洛伦兹破缺会限制电子的最大速度防止它达到光速。但是即使马里兰小组的观测允许他们在比普朗克能量高出7个数量级的基础上给出结论，他们依旧没有发现任何洛伦兹破缺的迹象。　　类似的研究不仅涉及到高能天体物理源而且还涉及到它们与我们之间的遥远距离。这可以使得就算是非常微小的洛伦兹破缺效应也能被放大到可观测的量级。2001年科斯特利基和他的研究生马索·缪斯（Matthew Mewes）提出通过测量来自遥远星系偏振光的旋转可以探测洛伦兹破缺。如果洛伦兹不变性发生破缺，那么光传播的过程中会发生旋转——虽然这一效应只有在光传播了极长的距离之后才能被观测到。　　尽管地面实验和天体物理观测都还没有直接探测到洛伦兹破缺，但是这些实验的“否定”结果已经被用来检验候选的量子引力理论了。“我们还无法完全排除某一个理论，”马丁利说，“但我们已经可以排除一些特定的理论变体了。”例如，环量子引力理论的计算结果已经暗示与观测存在着矛盾。但是这还不足以认为所有的环量子引力理论都是错误的，因为我们对这个理论本身还不了解。类似的，自旋-泡沫和膜理论模型预言了过大的洛伦兹破缺，我们对此也无法确定。　　马丁利说，理论工作者正开始根据新的实验结果来修改现有的理论模型。例如，在最近的一篇文章中环量子引力理论中也包含了洛伦兹破缺。“直到最近，甚至是这种实验反馈于量子引力理论也曾经被认为是不可能的，”马丁利说，“理论工作者以前不习惯为了与实验相符而不得不修改他们的理论，因为那时根本没有与之相关的实验。”
出自：Nature 发布日期：2004-02-05

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