作者:Stefano Liberati 来源:《物理评论快报》 发布时间:2014-8-12 15:04:42
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假如时空真的“流转”
广义相对论和量子力学不可调和性或将迎刃而解

 

来自蟹状星云的光线到达望远镜范围时,其能量并未出现明显的耗散。图片来源:J. Hester

如果时空就像一种流体,那么它肯定非比寻常。在一些物理学家看来,“时空是一种流体”的概念有助于解决物理学中两种主流理论之间长期令人疑惑的分歧。一项最新研究比较了天体物理观测结果和基于流体时空概念的预测,发现只有当时空极为平滑且自由流动时,换句话说,当时空是超流体时,上述概念才会成立。

将时空看作流体或许是一个很有用处的推断。人们通常把空间和时间描绘成宇宙最基本的“背景”。但假如它们并非最基本的,而由人们无法看见的、存在于现实中更深层次的细小成分构成,结果又会怎样?若是这样,时空的属性将反映其成分的物理性质,正如水的特性来自构成它的微粒一样。美国马里兰大学帕克分校物理学家Ted Jacobson解释说,水由离散的、依据量子力学定律相互作用的单个分子组成,但液态水看上去是连续的、流动的、透明的,而且可以产生折射。“这些都是在单个分子中无法看到的‘涌现性’,尽管它们最终还是来自这些分子的属性。”

自上世纪90年代起,物理学家一直在考虑这种可能性。当时,他们试图调和主流的宏观引力论即广义相对论和统治宇宙最微小粒子的量子力学。这两种理论在各自的领域似乎都表现得十分完美,但在宏观和微观世界结合在一起的情形下,例如研究质量巨大但体积极小的黑洞时,两者又相互矛盾。很多物理学家试图通过引力量子化,即将引力场分成更小的部分来解决这个问题,正如量子力学将很多数值例如粒子的能量层级,拆分成不同的“包”。意大利里雅斯特国际高等研究学院物理学家Stefano Liberati介绍说,当前有很多将引力量子化的努力,超弦理论和圈量子引力论都是宣称已向前迈出很大一步的替代性理论。“不过,或许你并不需要将引力量子化,你要做的是将构成时空的最基本物质量子化。”

最近,Liberati和德国慕尼黑大学的同事Luca Maccione研究了这个想法如何影响光在宇宙中的传播。像流体一样的时空并不会同任何一种理论中的时空立即区分开来,但在极端情形下,例如对于能量极高的光粒子,Liberati 和Maccione发现了一些明显的差异。事实上,通过研究高能光子穿越宇宙的观测结果,物理学家发现如果时空是流体,那么它一定是一种超流体。研究人员在近期的《物理评论快报》上发表了其研究成果。

在该推断中,粒子在时空中穿梭就像波浪在海洋里翻越,凝聚态物理中的流体力学定律在其中发挥了作用。此前,物理学家考虑的是不同能量的粒子如何在时空中散开,正如不同波长的波浪在水中分散开来或以不同速度穿梭。而在最新研究中,Liberati和Maccione把另一种流体效应考虑进来:耗散。当波浪在一种介质中穿梭,随着时间的推移其能量会逐渐损失。研究人员发现,这种阻尼效应同样会发生在光子穿梭于时空时。尽管这种效应很微弱,但那些穿越很远距离的高能光子还是会损耗掉一大部分能量。

一个真实世界的例子就是蟹状星云。这是一个距离地球6500光年、释放高能X射线和伽马射线的超新星残骸。当这束光线进入的望远镜范围时,如果时空拥有流体属性,其能量会出现一定程度的耗散。然而,在对蟹状星云进行观测时,并未发现这种效应的迹象。Liberati表示,这种能量损失会严重影响光谱,尽管这种效应极其微弱,因为它穿越了很长的距离。缺少耗散迹象使得研究人员能够强烈约束存在于时空中的流体效应,并确定如果这些效应存在,它们肯定极其微小。“这并非告诉你该想法被完全排除了。”的确,这些发现将类似流体的时空可能性缩小至那些拥有极低黏度且几乎不会产生阻力的流体,即超流体。

即使流体时空论的支持者也认为,这个概念并不是很流行,甚至是不太可能的。但这有可能成为事实吗?巴黎第十一大学物理学家Renaud Parentani表示,自己对此也是一头雾水。他起初曾提出过考虑耗散效应的想法。“坦率地说,没有人能完全弄清楚。我们所能做的就是建立所有可能性的模型。”

如果时空真的是一种超流体,而且不同能量的光子以不同的速度穿梭或随着时间推移消散,这意味着相对论并不适用于所有的情形。相对论的一条重要定律即洛仑兹不变性认为,光速是不变的,无论观察者拿什么做参照系。“一种可能性是时空的属性‘出现于’一些违背相对论的物质,这是比较极端的情况。”Jacobson表示。不过,这的确为修正将相对论和量子力学相结合时出现的一些问题开辟了一条潜在的路径。

因此,如果时空真的是一种超流体,那么对于理论物理学家来说,它带来的快感或许抵得上在海滨冲浪了。(来源:中国科学报 闫洁)

 
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