参考消息网9月24日报道 据美国《科学日报》网站8月29日报道，量子力学和爱因斯坦的引力理论几乎可以解释我们在自然界中看到的一切，但物理学家仍不知道如何将二者统一起来。一项新的理论框架表明，一些看似展现引力的量子力学特征的实验或许存在普通得多的解释。研究人员发现，涉及所谓“引力叠加”的情景有时同样可以用量子粒子在经典时空中运动来很好地描述。

  核心期望

  两个极其成功的理论几乎可以解释我们在宇宙中观察到的一切，从微小的原子和分子到行星、恒星和星系。量子力学描述了物质在极小尺度上的行为，而爱因斯坦的引力理论则解释了恒星和黑洞如何运动以及宇宙如何膨胀。

  尽管这两个理论都取得了巨大的成功，但它们仍然无法完美地融合在一起。物理学家们几十年来一直在寻找一种“量子引力”理论，希望能将它们结合起来，形成对自然界统一连贯的描述。

  一个核心的期望是引力本身最终应该遵循量子力学的规则。这种可能性很快就变得难以想象。

  量子力学允许物体同时处于多个位置，这种效应已在原子甚至小块金属上反复得到证明。与此同时，爱因斯坦的理论将引力视为空间和时间本身的属性——正如引力波探测器证实的那样，引力能够使时空发生弯曲、扁平化，并容许波在其内传播。

  因此，许多物理学家认为，量子物体周围的时空也可能同时处于多个“状态”。

  但在实验中实际上会是什么样子？

  日本九州大学、加拿大滑铁卢大学和瑞典斯德哥尔摩大学的研究人员如今或许已经找到了部分答案。他们的研究成果发表在英国《自然合作期刊-量子信息》杂志上。

  理论框架

  研究人员建立了一个理论框架，表明许多被描述为“引力量子叠加”的情况也可以用一种非常不同的方式来解释。

  在这些情况下，量子粒子穿过常规引力场与时空时，可以保持叠加态。按照这一描述，并不需要引力展现出真正的量子行为。

  论文的第一作者、九州大学高等研究院副教授乔舒亚·富解释说：“许多研究人员提出了可能揭示引力的量子性质的实验。我们发现，其中一些情景可以从两个同样有效的角度来看。一种解释将引力描述为处于量子叠加态，而另一种解释则描述了量子粒子在常规引力场中运动。”

  研究小组称这个想法为“时空叠加的相对性”。

  一种理解这个想法的方法是，想象两张用不同投影展示同一地貌的地图。地图可能看起来不同，但两者都能描述同一底层地形。与之类似，研究人员发现，一些看似涉及量子引力的情景其实可以用经典引力与时空描述，前提是每个粒子的运动都用适当的量子态表示。

  关键歧义

  这些发现并没有表明引力是经典的，也没有排除量子引力。

  相反，它们揭示了在解释旨在探测引力量子特性的实验时存在的一个重要歧义。在某些情况下，一些看似揭示量子引力的观测结果，或许无需引力本身表现出量子力学特性也能得到解释。

  论文的合著者之一、斯德哥尔摩大学的玛格达莱娜·齐赫说：“我们的工作并没有告诉我们此类实验排除了量子引力。相反，它帮助我们识别哪些实验特征真正需要用量子引力描述，哪些特征则可能源于我们更熟悉的物理学。这种区分对于设计未来的实验至关重要。”

  引力特征

  虽然这项工作涉及物理学中一些最基本的问题，但对自然基本定律的研究在历史上已经产生了重大的实际好处。

  GPS导航、激光和现代电子学的进步都源于理论量子物理学和爱因斯坦的引力理论。

  新框架最直接的影响是，它为物理学家未来的实验提供了更清晰的路线图。通过展示哪些观测结果能够真正区分经典引力描述和量子引力描述，这项研究有助于缩小寻找量子引力确凿证据的范围。

  乔舒亚·富总结道：“搞清引力和量子力学如何结合在一起是物理学中最大的挑战之一。在我们能够测试引力的量子性质之前，我们首先需要知道哪些证据能证明我们已经找到了它。我们的工作有助于澄清这个问题。”（编译/王海昉）