關係性量子力學推開暗物質之門？

參考訊息網11月9日報道

據英國《新科學家》週刊網站10月10日報道，物理學家卡洛·羅韋利為我們解釋了關係性量子力學的奇異規則——物質本身並不存在——以及這如何能解鎖基礎物理學的重大進展。

羅韋利站在一個爆炸的棚屋前。牆壁碎片和支離破碎的物品——一輛兒童三輪車、一臺唱片機、一隻靴子的碎片——天女散花般懸掛在他身後。在倫敦泰特英國美術館舉辦的展覽上，我見到了這位物理學家和暢銷書作家。他身後散落在空中的物件則出自英國最負盛名的當代藝術家之一科妮莉婭·帕克之手。帕克因善用日常物件打造大型裝置藝術品而聞名。

探尋實相核心

在法國艾克斯-馬賽大學教授羅韋利看來，帕克的作品富有深意，因為它反映了羅韋利對現實本質的理解。羅韋利對我說：“我理解這個過程：她產生想法，提出想法，告訴我們想法，然後我們對此作出反應。只用眼睛看，就不能理解科妮莉婭·帕克的作品，同樣，我們也不能僅透過觀察物體來了解現實。”

羅韋利提出了關係性量子力學這一概念，其要點是：物體無法獨立於其他物體而存在。這個概念或許令人費解，因此帕克挑戰現實的作品似乎充當了討論這一概念和羅韋利到底有何意圖的有益背景。帕克作品的名稱是《冰冷的暗物質》，這是一個有趣的巧合，因為羅韋利現在認為，他知道我們最終該如何確定暗物質的真正屬性。

羅韋利等物理學家試圖解決的是科學界最深奧的一些問題。以與量子理論有關的謎題為例，它是我們通往亞原子世界的最佳指南。它描述稱，粒子在與其他物質相互作用前，會同時處於多個可能的狀態。如何理解這一點？而量子理論也很難與廣義相對論——愛因斯坦的萬有引力理論——相容，因為這兩種理論用來描述現實的數學框架彼此互不相容。

在剖析理論物理學家維爾納·海森堡1925年的北海黑爾戈蘭島之旅時，羅韋利形成了對於如何解決此類問題的最新見解。在黑爾戈蘭島，海森堡致力於解決他的同輩埃爾溫·薛定諤造成的混亂。薛定諤將量子物體——電子、中子、光子等——描述為以某種方式將自己展現為粒子的波。海森堡使用的純粹是數學方法，他沒有將物理描述用在任何單個實體上。

羅韋利欣賞這種方法，並以此為基礎，最終在新近出版的《黑爾戈蘭島》一書中得出了一個鮮明的結論：量子物體沒有獨立的現實，而只是作為一種關係存在。

當我們站在畫廊裡，帕克的作品展現在我們面前，羅韋利做了進一步解釋。他說：“我們發現，物質實相的核心不是粒子，而是關係。每個物體的定義都來自與其他物體相互作用的方式。因此，當它沒有互動時，它就不存在。一個物體就是它影響周圍其他物體的方式的集合——一個物體的存在是由其他物體映射出來的。”

揭開宇宙秘密

這一說法無從驗證，但這並未困擾羅韋利。他說：“科學不只是可以直接驗證的東西。它還涉及找到正確的概念框架。”換言之，羅韋利認為，儘管你可能無法光憑一把鑰匙的外表來判斷它是否能開啟一把鎖，但如果鑰匙是對的，門自然會開啟。在他看來，這種聚焦關係的思維方式可以揭開宇宙的秘密，或許最終能將量子理論與引力結合起來。他說：“我的主要工作是瞭解量子引力：時空的量子層面。我認為，透過研究關係的方式來理解量子力學的效果或許會更好。”

那麼，暗物質從何而來呢？他說，透過將這種聚焦關係的觀念應用於黑洞，或許能夠揭示這個問題的答案。

斯蒂芬·霍金在上世紀70年代指出，黑洞會緩慢地釋放輻射，失去質量，並最終從宇宙中消失。其結果是，它所吞噬的一切物質也必須消失，包括這些物質攜帶的所有資訊。鑑於量子定律不允許資訊從宇宙中憑空消失，物理學家稱之為“黑洞資訊悖論”。圍繞究竟發生了什麼以及該悖論就物理學深層定律提供了何種資訊，他們進行了激烈的爭辯。

羅韋利說，關係性量子力學讓我們能夠獲得答案。他說：“我希望，以這種聚焦關係的方式來思考量子力學，能夠讓我們瞭解黑洞究竟發生了什麼。”

羅韋利懷疑，在霍金提出的黑洞蒸發過程結束後，黑洞的殘留物可能會演變成某種類似於暗物質的東西。當然，他還遠不能確定這種說法是否正確，但這沒關係。他說：“再優秀的科學家也永遠無法打包票。”

對於可能出錯一事，羅韋利沉穩面對，對於物理學的未來，他也持冷靜樂觀的態度，儘管許多人疾呼這門學科已經“觸礁”。誠然，在尋找暗物質的過程中，我們近一個世紀來一直在遭遇失敗，對量子物理學意義的質疑持續了一個多世紀，幾十年來我們在尋找可行的量子引力理論方面也一無所獲。但羅韋利說，物理學並沒有“陷入停滯。我們正在取得巨大進展。我們瞭解了大量新的實驗事實——例如，超對稱並不存在”。

放棄終極理論

羅韋利說，對於一些量子引力理論而言，超對稱——該假說認為，我們所瞭解的粒子存在尚未被探測到的映象粒子——可能是個問題。在他看來，超對稱粒子沒有像一些人預測的那樣出現在大型強子對撞機上恰恰是值得慶幸的。他表示，這是大自然向我們發出的訊號，它在說：“好，好，你的直覺是對的，去吧！”

漫步於畫廊，我們看到了帕克的另一件作品：用細線掛在半空中的一堆銅管樂器。每件樂器都被蒸汽壓路機壓平了。然而，燈光卻讓它們在牆壁上投射出熟悉的影子：如果只看影子，你無從得知這些樂器已被壓平。這個充滿令人不安和誤導性視角的空間似乎很適合討論人類對宇宙到底能瞭解多少這個宏觀問題，因此我問羅韋利在有生之年我們能否看到對實相核心的全面描述。

對此，他並不樂觀。他說：“我覺得，認為存在終極現實是沒有道理的。從遠處眺望森林，它只是一片綠色，但移步前行，你就會看到樹木：它們是真實的。樹幹是真實的，樹幹中的原子也是真實的。現實就是所有這些事物的統一體：它們都是真實的，只不過我們要逐步加深對事物的理解。我們應該擺脫以下思維定式，即終極現實是物質、語言、上帝、心智或精神。”

同樣，羅韋利對尋找“最終”理論也不屑一顧。他說：“我們不應該尋找終極理論；我們應該一次解決一個問題。不瞭解時空的量子特性？那就先研究這個。不瞭解黑洞？就先踏踏實實弄懂黑洞。”

他說，正是在這一次次的探尋中，我們的目標得到實現，每一個發現都為我們提供了更深層面的理解。他還說：“當然，我們對有些事還不太瞭解，比如心智如何運作。然而，不管我們認為人類是社會性、心理性還是化學性的存在，這些都是有趣的視角，且彼此之間並不矛盾。”