圈量子引力理论从何而来？离不开一位横跨20世纪物理学的传奇人物
天文同好乐园2019-12-31 20:16
不夸张地说，在21世纪，理论物理学家的终极目标就是找到一个能够融合广义相对论和量子力学的新理论，或者叫量子引力理论。事实上，这项工作起始于上世纪三四十年代，但至今进展缓慢。唯一可以让人感到欣慰的一点是，经过了几十年时间、由众多科学家共同添砖加瓦，对这项工作的研究不再被看作是一条“死胡同”。很多观念得以澄清，一些技巧和一些一般性的概念也得以巩固，并且，一些成果也逐渐显露了出来，比如说超弦理论、M理论和圈量子引力理论等。
如果要将为量子引力理论做出贡献的物理学家的名字全部列出来，那将是一份非常长的名单，如果一定要从中挑出一位为之做出最大贡献的科学家，那么这个人一定是约翰·惠勒——一位横跨20世纪物理学的传奇人物。约翰·惠勒是尼尔斯·玻尔在哥本哈根的学生兼合作者；他也是爱因斯坦移居到美国之后的合作者；身为教师，他的学生中有像理查德·费曼这样的知名物理学家；是他发明了“黑洞”这一术语，并使其流行起来，等等。所以可以说，惠勒始终身处20世纪物理学的核心，是当仁不让的20世纪物理学的核心人物。
物理学家约翰·惠勒惠勒是较早对量子时空进行深入思考的物理学家，他敏锐地意识到，引力场的量子性质意味着在微小尺度上需要对广义相对论的空间概念进行修正，他将量子空间想象为一群重叠的几何物体，就像今天的我们将电子看作电子云一样。打个比方来说，想象你正从非常高的高空俯瞰大海，你会看到巨大辽阔而又波澜不惊的海面；如果下降一定的高度更近地观察，你可能会看到海面上的波浪；继续下降，你就可以看到海浪散开形成的细小泡沫。这就是惠勒想象出的空间的样子，我们用以研究空间的尺度比普朗克尺度大很多，所以空间看上去是平滑的，如果我们能够深入到普朗克尺度，空间就会破碎，形成泡沫。
物理学家布莱斯·德维特（左二）惠勒一直致力于寻找一种方式去描述这种空间泡沫——不同几何形状的概率波。1966年，他的一位年轻同事布莱斯·德维特提出了一个解决办法，他向惠勒展示了一个“空间的波函数”方程，运用一个简单的数学技巧就可以得到，惠勒对此很感兴趣并做了适当的修改，修改后的方程可以决定弯曲空间的概率。在此后很长一段时间里，德维特将这个方程叫做“惠勒方程”，惠勒则称之为“德维特方程”，而其他人则把它称为“惠勒-德维特方程”。在其他物理学家看来，这个方程非常棒，它成为了尝试构建整个量子引力理论的基础。
当然，这个方程本身也存在一些严重的问题，这是在对方程进行应用时逐渐发现的。其一是，当用这个方程进行实际计算时，会得到毫无意义的无穷大结果；其二是，方程中不包含时间这个变量。如果不包含时间这个变量，那么怎样用它去计算发生在时间之中的事物的演化呢？方程中的这两个缺陷让人们意识到，这个方程要么是错误的，要么就是其中还隐藏着可以修正的地方。到了20世纪80年代末，围绕在“惠勒-德维特方程”上的迷雾突然开始散去，这个方程的一些合理的解出人意料地出现了。
转机来自这几位物理学家：印度物理学家阿贝·阿什台卡、美国物理学家李·斯莫林和特德·雅各布森。首先是阿什台卡用更简单的形式重写了“惠勒-德维特方程”，而斯莫林和雅各布森则率先找到了这个奇特方程的一些解。这些解都有一个共同的、奇怪的特点：它们取决于空间中的闭合线，每一条闭合线就是一个“圈”。斯莫林和雅各布森可以为每个“圈”，即每条闭合线写出方程的一个解。这就是“惠勒-德维特方程”产出的第一批成果，它使得这个方程的含义逐渐变得清晰，在这些解的基础上，一个自洽的理论被逐步建立起来，这一理论就是今天的“圈量子引力理论”。如今，从美国到印度尼西亚，从阿根廷到中国，遍布世界各地的数千位科学家正在研究这一理论。
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