實體學家們提出了一種新的方法來解決幾乎有一個世紀曆史的未解之謎——将萬有引力和量子實體相結合。請原諒我的興奮，但類似的事情已經四十多年沒有發生了。這個新思路是由倫敦大學學院量子理論教授喬納森·奧本海姆提出的。他将這個理論命名為“後量子引力”。
現在這位奧本海姆教授和他的合作者們宣稱他們的理論不僅可以将量子實體和萬有引力聯系在一起，還可以解釋暗物質和暗能量。“大夥們，我們可能為實體學做了件大事，”奧本海姆在他的社交媒體賬号上這樣寫道。“我們的研究結果表明，可以在沒有暗物質或暗能量的情況下解釋宇宙膨脹和星系自轉。”
奧本海姆教授緻力于解決量子實體和萬有引力之間的沖突。量子實體一般被我們認為是一種不确定性理論。它其中包含有随機性和内在的不确定性，這限制了我們可以對實體世界進行了解和操縱的範圍。我們通常存在一些誤區，那就是認為量子實體中的粒子“可以同時出現在兩個不同的地方”，但是量子實體的數學結果告訴我們強調這些粒子存在于某一個特定位置并沒有任何意義，這些粒子并不處在任何一個位置上。
另一方面，引力可以通過愛因斯坦的廣義相對論描述。它對每一個事件用一組時空坐标來标記。這個理論是确定性的，未來的軌迹能夠根據過去的情況推斷得到，而唯一的不确定性來自于我們對情況的無知。是以這個理論并不能描述量子實體中具有非确定性的粒子的行為。
通過修改引力理論同樣可以解釋暗物質
目前實體學界已經存在很多想統一兩種理論的嘗試，并創立了量子引力理論。目前最著名的建立統一理論的嘗試包括弦理論，圈量子引力和漸近安全引力。人們更少嘗試的方法是将引力作為一個非量子理論——正如實體學家們所說的，一個“經典”的理論——來處理，或者改變量子實體學的一些東西。
我們可以為大家舉一個例子。羅傑·彭羅斯教授認為，因為萬有引力的存在，我們才不會像觀察微觀粒子那樣，在宏觀尺度的不同位置觀察到同一個宏觀物體。但是這個以及其他類似觀點并沒有很好地得到驗證，主要是因為量子實體對微觀粒子的随機跳躍的描述與我們的實驗觀察非常相符，而萬有引力理論卻無法與粒子的這些行為相融洽。
奧本海姆教授的新理論解決了這個問題。在他的理論架構下，萬有引力是非量子的，但是具有随機性。這種後量子引力的随機性并非來自其他任何東西，而是其基礎屬性——這個屬性是理論的出發點。這就像量子力學中的随機性并非來自其他任何因素一樣——它是基礎的，隻是自然的一種屬性。
奧本海姆教授的理論的創新之處在于，他找到了一種能夠将兩種随機性的數學結合到一個架構中的方法。在後量子理論中，萬有引力仍然是非量子的，微觀粒子仍然是量子的。然而，這兩個領域是互相聯系的，因為粒子具有引力，而引力反過來又影響粒子。在奧本海姆的理論中，這種聯系不會産生沖突，因為這兩種随機性能夠互相融合。反過來，兩者的自洽性也微妙地改變了量子實體和萬有引力。
在最新的一篇還未得到同行評議的論文中，奧本海姆教授和他的共同作者倫敦大學學院的研究所學生安德烈娅·魯索表示，這種随機性改變了引力定律，由此避免了引入暗物質和暗能量的需求。
暗物質和暗能量是天體實體學家為了宇宙中可能存在的兩類假想成分引入的術語。這兩者都從未被直接觀察到過。天體實體學家隻是通過宇宙星系的引力效應間接推導出它們的存在。天體實體學家們通過引入暗物質來解釋諸如星系旋轉速度比預期快，引力透鏡比預期強等問題。同時，他們也引入了暗能量來解釋為什麼宇宙不僅在擴張，而且擴張速度還在增加——沒有任何符合目前實體架構的物質或能量能夠做到這一點。
對暗物質，也許可能還包括暗能量，的另一種解釋是：引力理論需要得到修正。我們不需要在非常宏觀的尺度上對理論進行修正——這行不通，因為星系的大小千差萬别，我們在離星系中心的不同距離的位置都觀察到了暗物質的明顯影響。相反，事實證明，在恒星的加速度非常小的情況下我們才需要對引力定律進行修正——這正是奧本海姆教授和魯索在他們的後量子引力理論中所發現的。
問題就這樣解決了？
這些在低加速度下對愛因斯坦引力的修正被稱為修正牛頓動力學理論(MOND)。這種在低加速度下的修正可被等效看作是暗物質的原因是，恒星的平均加速度取決于引力的強度。如果你靠近一個行星或恒星，那麼你會明顯感受到來自這些物體的引力。如果你将其解釋為一種力，那麼這個力就會導緻一個加速度。你離大品質物體越遠，加速度就越小。
然而，當一個恒星距離其星系的中心越遠時，受到的總體引力就越小，因為星系的大部分品質都集中在星系的中心。最終我們會推導得到，如果我們假設引力在小加速度的情形下會變強，就可以不通過引入暗物質解釋目前科學界所觀測到的現象。簡而言之，這就是修正牛頓動力學（MOND）的思想。
奧本海姆表示，當他和同僚們在研究引力的随機性對引力定律的影響時，他們發現了類似的現象：物體的加速度越小，受到的萬有引力固有的随機性的影響就越大。他們推導出了一個與牛頓引力勢相關的方程，這個方程與牛頓的萬有引力定律相似。牛頓引力勢可被用于推導引力的大小。然而，這個方程并非與牛頓定律完全相同，并且方程的解包含一些額外的項。他們發現，方程的解中包含的額外項似乎與修正牛頓動力學（MOND）所提出的内容相似：方程解的額外的項表明星系要旋轉得更快。更重要的是，他們表示，方程解中的一個項看起來就等效于暗能量的作用。而修正牛頓動力學本身并不考慮暗能量，是以，這确實是一項令人矚目的成就。
但是在這項最新的研究中，他們隻将研究重點放在了星系的行為上，是以他們還沒有表明修正牛頓動力學的解中代表最簡單類型的暗能量的額外項（一個宇宙常數）确實會導緻宇宙膨脹。關于這一點，他們提到了一篇“正在準備的論文”中可能會回答相應的問題，是以我們将來可能會了解到更多關于這方面的内容。然而，根據我自己的經驗，正确地引出暗能量并沒有那麼困難。（我也有一個模型可以解釋暗物質和暗能量，隻是沒人關心它。）
從筆者的角度出發，筆者仍然認為這并不是最終的答案
原因是他們得到的方程太簡單了。筆者懷疑這個方程可能隻适用于解決單個星系的運動問題，而無法适用于多個星系。這是因為天體實體學家們觀察到，如果我們将多個星系的資料結合起來分析，那麼一些可觀測的屬性——如旋轉速度和亮度——是彼此相關的。修正牛頓動力學（MOND）能夠解釋這些相關性，而暗物質則不能。在我看來，這正是MOND相對于暗物質的一大優勢。然而，從後量子引力理論推導出的方程似乎并不能很好地解釋這屬性的相關性。也就是說，筆者認為随着研究的進一步深入，他們會發現後量子引力理論并不能達到預期效果。
作者：SABINE HOSSENFELDER
翻譯：K.Collider
審校：利有攸往
翻譯内容僅代表作者觀點
不代表中科院實體所立場
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