走进科学, 量子
后量子宇宙的终结？
新提出的“后量子”引力理论可能消除暗物质和暗能量的概念。
各位请原谅我的兴奋之情，因为这都快四十年没有发生过了：物理学家们找到了一种解决困扰近一个世纪难题的新方法——如何将量子物理和引力统一起来。这项新想法来自伦敦大学学院量子理论教授乔纳森·奥本海默，他将其命名为“后量子引力”。我上个月在鹦鹉螺杂志上写过他的新提议。
现在，奥本海默和他的合作者声称，他们的想法不仅可以调和量子物理和引力，还可以解释暗物质和暗能量。奥本海默在社交媒体上分享了他的研究成果：“诸位，似乎有些突破！我们证明了我们的引力理论……可以在不引入暗物质或暗能量的情况下解释宇宙膨胀和星系旋转。”
奥本海默想要解决的问题是量子物理和引力格格不入。量子物理是非决定性理论，它具有随机性、内在的不确定性，限制了你所能做和知道的。我们常说量子粒子可以同时处于两个地方，但数学实际上表明，说它们处于任何特定位置都没有意义，它们根本没有位置。
另一方面，引力由爱因斯坦的广义相对论描述。它为所有事物分配时间和地点。它是确定性的，未来由过去决定，它唯一的不确定性来自于我们自身的知识匮乏。它无法与量子粒子的非确定性行为相协调。
将两者统一成量子引力理论的尝试有很多，弦理论、圈量子引力、渐近安全引力都是知名方法。少有人走的路是不让引力量子化(物理学家称之为“经典”理论)，或者改变一些量子物理的东西。
罗杰·彭罗斯的想法就是一个例子，他认为引力是我们从未观察到大物体处于两个地方的原因。诸如此类的想法进展并不顺利，主要是因为量子物理中粒子的随机跳跃很好地描述了我们的观测结果，而引力却无法适应它们。
奥本海默的新方法通过让引力保持非量子化，但赋予它随机性来克服这个问题。这种后量子引力的随机性并非来自其他东西，它是基本要素，是起点。这就像量子力学的随机性一样，它不是来自其他东西，它是基本的，是起点，只是自然的一个属性。
奥本海默的创新之处在于，他找到了一种将两种随机性的数学框架结合起来的方法。在这个后量子理论中，引力仍然是非量子的，粒子仍然是量子的。然而，这两个部分会相互交流，因为粒子具有引力，引力反过来也会影响粒子。在奥本海默的理论中，这可以 بدون تناقض (wú dūncài) 地运作，因为这两种随机性可以相互匹配。但作为交换，这会微妙地改变量子物理和引力。
在最近一篇尚未经过同行评议的论文中，奥本海默和他的合著者、伦敦大学学院的研究生安德烈亚·鲁索表示，这种随机性改变了引力定律，从而消除了对暗物质和暗能量的需要。
暗物质和暗能量是天体物理学家赋予宇宙两种假定成分的术语。两者都从未被直接观察到；天体物理学家只是从它们的引力效应间接推断出它们的存在。他们添加暗物质来解释诸如星系旋转速度比预期快、引力透镜比预期强的现象。他们添加暗能量来解释为什么宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度还在加快——没有哪种正常的物质或能量能做到这一点。
对暗物质(也可能是暗能量)的另一种解释是，引力定律需要改变。它不必在大尺度上改变——这样做效果并不好，因为星系有许多不同的尺寸，我们在离中心不同距离的地方观察到明显的暗物质影响。事实证明，修改引力定律的最佳方式是在恒星受到的加速度非常小时进行修改——这正是奥本海默和鲁索声称他们在后量子引力中发现的。
这种对爱因斯坦引力在小加速度下的修正被称为修正牛顿动力学，简称 MOND。这种修正之所以在小加速度下会出现暗物质现象，是因为加速度平均取决于引力强度。如果你靠近一颗行星或恒星，那么你会感受到来自这些重物的明显引力拉力。如果你将它解释为一种力，那么它就会产生加速度。你离重物越远，加速度就越小。
然而，来自整个星系的总引力拉力会随着恒星离星系中心的距离而减小，因为星系的大部分质量都集中在中心。事实证明，如果你假设引力在小加速度下会变强，那么就可以解释星系中归因于暗物质的观测结果。简而言之，这就是 MOND 的想法。
奥本海默现在说，当他和他的同事们研究引力随机性对引力定律的影响时，他们看到了类似的行为：物体的加速度越小，它就越容易受到引力固有的随机性的影响。他们推导出了一个类似于牛顿万有引力定律的方程，用于计算牛顿引力势，这是物理学家用来推导引力力的量。然而，它不是完全相同的方程，它的解有一些不寻常的贡献。他们表明，这些额外的贡献似乎与 MOND 提供的类似：它们使星系旋转得更快。此外，他们说，其中一个贡献看起来像暗能量。MOND 本身无法解释暗能量，所以这是一个相当了不起的成就。
不过我要提醒的是，他们在这项最新工作中只研究了星系，所以他们还没有证明他们识别出的最简单类型的暗能量(宇宙常数)确实会导致宇宙膨胀。为此，他们提到了另一篇“正在准备中的手稿”，所以我想我们将来会听到更多关于这方面的信息。然而，根据我的经验，让暗能量正确出现并不难。(我也有一个理论可以解释暗物质和暗能量，只是没人关注。)
问题解决了吗？也许吧，但我认为它不会奏效。
原因是他们得到的方程太简单了。我怀疑它对一个星系有效，但对多个星系同时就不会奏效。这是因为天体物理学家观察到，如果我们将来自多个星系的数据组合起来，那么一些可观测的性质(例如旋转速度和亮度)会相互关联。MOND 解释了这些相关性，而暗物质则没有。对我来说，这正是 MOND 优于暗物质的地方。但后量子引力似乎遵循的方程没有解释这些关系的正确性质。就是说，我怀疑他们随着对其方程的进一步研究，会发现它们无法按预期工作。
当然，我也有可能错了。所以对我来说，这是一个双赢的局面。如果我对了，那很好；如果我错了，那就意味着我们正在目睹一个理论的诞生，它将实现我们许多人梦寐以求的东西。