24

ONE HUNDRED YEARS OF FAILURE
一百年的失败

2015年是爱因斯坦发表广义相对论的100周年。该理论描述了以时空曲率为依据的引力：物质的存在使宇宙的基本结构发生了变形，从而使光的传播路径发生扭曲，时间变慢。广义相对论允许我们将宇宙描述为一个整体，同时还准确地预测了黑洞等特殊天体的存在；它甚至支持闭合的时间曲线，从原则上允许时间的倒流。广义相对论是一种非常成功的科学理论，在其诞生100周年之际，有许多人以文章、节目或学术论坛的形式来纪念爱因斯坦取得的成就。

不过，大家似乎遗漏了一个故事。当爱因斯坦发表广义相对论后不久，有一些物理学家试图融合广义相对论和量子力学。量子力学是描述物质在最小距离和最基本尺度上的状态的物理理论。在过去的一个世纪，量子力学在基本粒子、固态物理学、光学和信息处理这些基础物理学研究方面取得了长足的进步。爱因斯坦发表广义相对论没多久，一些物理学家就提出了量子引力理论，但都失败了。

第一批量子引力理论失败的原因在于，这些物理学家并没有真正理解量子理论。在爱因斯坦提出广义相对论10年之后，薛定谔和海森堡（Heisenberg）才提出了关于量子理论的准确的数学表达公式。到了20世纪30年代初，保罗·迪拉克（Paul Dirac）成功地提出了包含爱因斯坦早期狭义相对论的量子力学公式。在此之后的50多年里，理查德·费曼和默里·盖尔曼等物理学家运用量子场论（quantum field theory）让我们对基础物理学的理解有了本质性的提高，据此所取得的最大成果就是20世纪70年代的基本粒子物理学标准模型，这一模型统一了除引力以外的所有力，随后的实验都证明了它的正确性。

那么，引力的量子理论又如何呢？迪拉克之后的物理学家尝试将量子场论扩展至广义相对论，但都没有成功。失败的原因在于一个棘手的技术问题。量子场论存在一个特殊情况：当计算可观测的值时，比如电子的质量，得到的答案是无穷大。

通过进一步分析，科学家意识到必须考虑电子与其他粒子（如光子）的相互作用，这些相互作用使电子的质量回归常态，不再是无穷大。在量子场论中，这种回归常态发挥了重要作用，比如让电子的质量可以精确至6位数。然而，这种回归常态不适用于量子引力理论，因为该理论无法使电子的质量回归常态，其质量仍然是无穷大。

在这之后的数十年间，广义相对论量子化的失败致使人们放弃了探究新发现。也许大家最能接受的关联引力和量子的理论是，霍金提出的“黑洞不仅会吸收所有物质，还会向外辐射物质”的推断。霍金辐射并不是关于量子引力的，而是关于量子在遵循爱因斯坦非量子公式的经典时空中的运动的。圈量子引力论（loop quantum gravity）虽然解决了量子引力理论的部分问题，但又让其他问题变得更为复杂了，比如，该理论难以将物质包括进来。作为由物质组成的人，我反对不包括物质的理论。

弦理论的一个主要吸引人之处在于，它一开始就包含了一种等同于引力的粒子——引力量子。令人感到不幸的是，即使弦理论最忠诚的支持者也知道，弦理论目前还不是一种能完全自证的理论，而是一系列被称为“奇迹”（这明显具有讽刺意味）的数学上的观察结果。

一位长期研究量子引力的学者曾告诉我，若想在该领域发表论文，宣称在某方面取得进展，都必然会让某些问题变得更复杂，所以总效果为负。如果说经济学是令人沮丧的科学，那么量子引力学就是令人沮丧的物理学。

然而，最近几年出现了一些曙光。作为物理学和数学的分支，量子信息论是关于如何以量子力学的形式系统地表示和处理信息的。与弦理论不同，量子信息论实际上是一种理论，它依赖于有序的猜想和数学证明，并与实验联系紧密。量子信息论可以被视为离散量子系统（可以由比特或量子比特表示的系统）的整体性理论。

最近，量子引力理论和量子信息论的研究人员展开合作，以证明量子信息论有助于我们更深入地了解一些问题，包括黑洞蒸发、全息原理（holographic principle）、反德西特／共形场论（anti-de Sitter/conformal field theory，简称AdS-CFT）等类似问题，如果这些问题听起来很深奥，那是因为它们原本就很深奥。令人感到鼓舞的是，量子信息论带来的关于量子引力方面的进展不会因为使其他问题变得更加复杂而导致总效果为负。

我们目前还不知道统一量子和引力子的努力能否成功。过去100年量子化引力的失败表明，这种努力难以成功。不过，如果运气好的话，量子化引力的下一个百年应该不会如此沉闷了。 N2bnrvNKG/0xsNIu5SJ1HQPKYc4+xcSBvoJOEt7sNWgnKTIKulqkBJ3WRtyMz3bE