新理論將愛因斯坦引力與量子力學結合起來
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根據倫敦大學學院(University College London)2023年12月4日提供的消息，倫敦大學學
院的物理學家今天同時發表的兩篇論文宣布了一種激進的理論，該理論始終將引力和量子
力學統一 起來，同時保留了愛因斯坦的經典時空概念。
現代物理學建立在兩大支柱之上：一方面是量子理論，它控制著宇宙中最小的粒子；另一
方面是愛因斯坦的廣義相對論，它透過時空的彎曲來解釋重力。 但這兩種理論相互矛盾
，一個多世紀以來一直難以達成和解。 普遍的假設是愛因斯坦的引力理論必須被修改或
“量子化”，以適應量子理論。 這是量子重力理論的兩個主要候選者的方法：弦理論（
string theory）和圈量子重力（loop quantum gravity）。
但由倫敦大學學院物理與天文學（UCL Physics & Astronomy）喬納森·奧本海姆教授（
Professor Jonathan Oppenheim）提出並在《物理評論X》（Physical Review X簡稱PRX
）的一篇新論文中提出的新 理論挑戰了這個共識，並採取了另一種方法，表明時空可能
是經典的——也就是說，根本不受量子理論的支配。 詳見Jonathan Oppenheim. A
postquantum theory of classical gravity? Physical Review X, Accepted 5
October 2023.
https://journals.aps.org/prx/accepted/d6078Ke1S941110a26ad9584bc567
其實，喬納森‧奧本海姆教授的此研究結果早在2018年11月7日已經在預印本文庫(arXiv)
網站公開[v1] Wed, 7 Nov 2018 19:10:10 UTC (197 KB)； 並在2021年6月25日和2023年
11月27日進行過兩次修改[v2] Fri, 25 Jun 2021 19:06:18 UTC (207 KB)；[v3] Mon,
27 Nov 2023 17:24 :09 UTC (252 KB). https://arxiv.org/abs/1811.03116
該理論——被稱為「經典引力的後量子理論（postquantum theory of classical
gravity）」——不是修改時空，而是修改量子理論，並預測由時空本身介導的可預測性
的內在崩潰。 這會導致時空發生隨機劇烈的波動，其幅度比量子理論所設想的要大，如
果測量足夠精確，物體的表觀重量將變得不可預測。
由喬納森·奧本海姆教授以前的博士生領導的第二篇論文2023年12月4日在《自然通訊》
（Nature Communications）雜誌網站發表——Jonathan Oppenheim, Carlo
Sparaciari, Barbara Soda, Zachary Weller- Davies. Gravitationally induced decoherence vs
space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity. Nature
Communications, 2023, 14: 7910. DOI: 10.1038/s41467-023-43348-20.
.nature.com/articles/s41467-023-43348-2
此文研究了該理論的一些後果，並提出了一個實驗來測試它：非常精確地測量質量，看看
它的重量是否隨著時間的推移而波動。 例如，法國國際計量局（International Bureau
of Weights and Measures in France）通常稱量1 kg的質量，這曾經是1 kg的標準。 如
果這1 kg質量的測量波動小於數學一致性所需的值，則可以排除理論。
實驗的結果，或其他證實時空的量子性質與經典性質的證據，是喬納森·奧本海姆教授與
卡洛·羅維利教授（Professor Carlo Rovelli）和傑夫·佩寧頓博士（Dr Geoff
Penington）之 間以5000:1 的賠率打賭的主題，後者他們分別是量子環引力理論
（quantum loop gravity）和弦理論（string theory）的主要支持者。
在過去的五年裡，倫敦大學學院的研究小組一直在對該理論進行壓力測試，並探索其後果
。
喬納森‧奧本海姆教授說：「量子理論和愛因斯坦的廣義相對論在數學上是互不相容的，
因此了解如何解決這個矛盾很重要。時空應該被量子化，還是我們應該修改量子 理論，
或者完全是另外一回事？現在我們有了一個一致的基本理論，其中時空不會被量子化，
這是任何人的猜測。”
合著者扎克·韋勒-戴維斯（Zach Weller-Davies）是倫敦大學學院的博士生，他幫助制
定了這項實驗提案，並為該理論本身做出了關鍵貢獻，他說： 「這項發現挑戰了我們對
重力基本性質的理解，但也提供了探索其潛在量子性質的途徑。我們已經證明，如果時空
不具有量子性質，那麼時空曲率必然存在隨機波動，這種波動具有可以 透過實驗驗證的
特定特徵。
在量子引力和經典引力中，時空必須在我們周圍經歷劇烈和隨機的波動，但其規模我們尚
未能夠檢測到。 但如果時空是經典的，波動必須大於一定的尺度，這個尺度可以用另一
個實驗來確定，在這個實驗中，我們測試一個重原子在兩個不同位置疊加的時間。 」
共同作者卡洛·斯帕拉西亞裡博士（Dr Carlo Sparaciari）和芭芭拉·索達博士（Dr
Barbara Soda）的分析和數值計算幫助指導了該項目，他們表示希望這些實驗能夠確定追
求量子引力理論是否為正確的方法。
芭芭拉·索達博士原來是英國倫敦大學學院物理與天文學系（UCL Physics & Astronomy
）博士，現在加拿大周界理論物理研究所（Perimeter Institute of Theoretical
Physics, Canada）。 芭芭拉·索達說：「由於重力是透過空間和時間的彎曲而顯現出來
的，所以我們可以從時間流動的速度是量子性質還是經典性質的角度來考慮這個問題。測
試這一點幾乎就像 測試質量的重量是否恆定或以特定方式波動一樣簡單。”
倫敦大學學院物理與天文學系的卡洛·斯帕拉西亞裡博士說：「雖然實驗概念很簡單，但
物體的稱重需要極其精確地進行。但令人興奮的是，從非常一般的假設開始 ，我們可以
證明兩個可測量量之間的明確關係-時空波動的規模，以及原子或蘋果等物體可以在兩個
不同位置的量子疊加中放置多長時間。然後我們可以通過實驗確定這兩個 量。”
扎克·韋勒-戴維斯補充說：「如果原子等量子粒子能夠彎曲經典時空，就必須存在微妙
的相互作用。在原子的波動特性和需要多大的時空隨機波動之間，必須有一個基本 的權
衡。”
透過尋找質量的隨機波動來測試時空是否經典的提議，與另一個旨在通過尋找所謂的“引
力介導的糾纏（gravitationally mediated entanglement）”來驗證時空的量子性質的
實驗提議是互補的。
英國倫敦大學學院物理與天文學系的蘇加托·玻色教授（Professor Sougato Bose）並
未參與2023年12月4日的宣布，但他是最早提出糾纏實驗的人之一，他說：「測試 時空本
質的實驗將需要大規模的努力，但它們從理解自然基本規律的角度來看，這是非常重要的
。我相信這些實驗是可以實現的——這些事情很難預測，但也許我們會在 未來20年內知
道答案。”
後量子理論（postquantum theory）的影響超越了引力。 量子理論中臭名昭著且有問題
的「測量假設」（"measurement postulate"）是不需要的，因為量子疊加必然透過它們
與經典時空的相互作用來定位。
這個理論的動機是喬納森·奧本海姆教授試圖解決黑洞資訊問題（black hole
information problem）。 根據標準量子理論，進入黑洞的物體應該以某種方式輻射出去
，因為資訊不會被破壞，但這違反了廣義相對論，廣義相對論說你永遠無法知道穿過黑洞
事件視界的物體。 由於可預測性的根本崩潰，新理論允許資訊被破壞。
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