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经典回顾|罗维利:在量子引力中,空间和时间怎么了?
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中国科学院哲学研究所(CASIP)与复旦大学智能科学与智能哲学研究中心(PSI)于2021年9月30日和10月13日联合举办哲学与科学系列讲座,邀请国际知名物理学家卡尔罗·罗维利(Carlo Rovelli)教授与大家从哲学和物理学的不同角度思考时间与空间的基本问题。本文回顾10月13日的报告,标题为“在量子引力中,空间和时间怎么了?”,与读者共享哲学加科学之胜。
在量子引力中,空间和时间怎么了?
罗维利主讲内容
评论人与罗维利问答
在经典广义相对论的哈密顿体系下,哈密顿量可以被表示为标量和矢量的约束的线性组合。狄拉克论证了可观测量的对应算符需要与哈密顿量交换,但考虑到需要哈密顿量来表示算符演化,那么上述可交换性会导致算符不存在随时间演化这一问题。罗维利使用关系性演化,很好地解决了这个问题。但之后需要再进一步解释如何从无时间的正则量子引力理论得出薛定谔理论,具体来说,就是要把希尔伯特空间中的物理的自伴算符划分为两个可交换的部分,一部分是动力学的算符,一部分是背景的算符。通过对背景算符(以及它们的谱)的精巧选择,可以将它们表示为某个变量的算符函数,把该变量取为“时间”,这样物理时间就出现了。罗维利回应:我想再强调马永革的补充中的两点关键。其一,一旦我们有了狄拉克引入的广义协变的量子形式体系,就可以在此基础上尝试推导一些熟悉的、有用的结果。其二,上述推导不仅仅是在量子引力理论中有用。当我们用圈量子引力处理宇宙学,尤其是宇宙的早期演化时,实际上就在作这些推导。特别的是,在这些细节中有些近似看上去不太合理,但它们很可能是连接量子引力中的时间和我们直觉中的时间的关键。
施郁(复旦大学):能不能谈谈圈量子引力和其他量子引力理论间的可能的联系?罗维利回应:目前存在许多不同的量子引力理论。被最广泛研究的是弦论,它比量子引力理论想做的更多,想成为一个统一理论;但也正是由于这个原因,无论它在其他方面成功与否,弦论对量子引力的真正困难反而研究得不多。弦论真正考虑量子时空的工作是近二十年才开始的 AdS/CFT,但在我看来它尚未真正触及问题核心。例如,当我进入黑洞的时候,我希望知道黑洞的体(bulk)内会发生什么,而不是仅仅用边界(boundary)上的某些理论映射过去。另一方面,非微扰理论的概念和数学的对应也还没有完全成功。渐进安全(asymptotic safety)是另一种量子引力进路。与弦论相反,它非常简单,具有明确的概念清晰性。但它与圈量子引力的假设差异很大,我很努力地想弄明白它是否与圈量子引力相容。它最关键的假设是实际上某些自由度在所有能标下都存在——这与圈量子引力和弦论都不一致。因果动力学三角剖分(causal dynamical triangulation)与圈量子引力很相似,我认为它实际上能够被容纳进圈量子引力的形式体系。其他还有一些理论,比如非交换几何,尚未成为一种量子引力理论;也许它们能够和圈量子引力或更一般的量子引力的时空概念相容。
高山 (山西大学):在量子力学中有不同的诠释,类似的,圈量子引力可能也存在不同诠释。是否存在某些实验上比较这些诠释的办法?圈量子引力是否预设了选取量子力学的某些诠释?罗维利回应:首先,关于是否存在区分不同量子力学诠释的实验,我想你也会同意我将要给出的答案:除了对极少数特例以外,答案是不存在。不是指我们尚未设计出这样的实验,我们当前的看法是,对于一般的量子力学的应用场合,不会存在这样的实验。但是,经验上不可区分并不表示探索它们是无意义的。例如,考虑这个问题:地球是宇宙的中心吗?如果你仔细想想,这个问题是经验上无法判别的,实验和观察都不能确定地告诉我们该问题的答案。回答是或否只是不同的思考问题、组织物理实在的方式,尽管其中一种可能远胜过另一种。我认为量子力学诠释问题就有这些性质:存在不同的理解量子力学的方式,它们经验上不可区别,但可能有其中的某些比另外一些诠释更加有用,尤其是在量子引力中。对我来说,圈量子引力预设了量子力学的关系性诠释(relational interpretation)。但你完全可能按其他方式构造或理解量子引力,例如讨论圈量子引力和多世界诠释如何结合。当然这不是我看待问题的方式。如果在某些诠释中,你认为态与物理实在的关系应当更强一些,这与圈量子引力认为世界是事件组合体的看法就不那么自然地融贯,从而产生额外的困惑——如果你能处理这些困惑,这当然也是可行的。
王华嘉 (KITS):从低能有效场论的角度来看,圈量子引力——以及将来构造出背景无关的理论的弦论——需要通过重整化群理论,在低能下得到经典广义相对论。但不同理论会得到不同的在低能端被抑制的量子修正项,进而得出实验上可比较的结果吗?弦论共同体中的一些研究认为时空是从量子纠缠中涌现出的,圈量子引力是否关注类似的问题?罗维利回应:这个问题比乍一听上去要更加复杂,原因在于,在某种程度上我们已经知道答案了。你可以用微扰量子广义相对论,即引力场的微扰量子场论,来逐阶计算例如牛顿势能的量子修正。你将得到可信的结果,直到到达普朗克能标。我希望弦论和圈量子引力能复现这些结果,直到普朗克能标下会与微扰论的结果出现差异——我确实期待这种差异出现。关于从纠缠结构中涌现出时空几何的想法,它是从弦论共同体中产生的,但在圈量子引力共同体出现了一些共鸣。如果从这个角度来考虑圈量子引力的空间结构,圈量子引力的形式体系中有一些图,图的相邻结点所具有的一个性质就是它们之间存在纠缠。例如 Bianchi 和 Myers 合作研究过“纠缠构造了空间结构”这种一般性的想法,他们两人一个人做弦论,一个人做圈量子引力。我对此问题没有明确的想法,但我当然认为它们值得进一步研究。
颜春玲(CASIP):经验数据是在时空中获得的,如果在物理学的基础层面没有时空,或经典时空仅作为近似涌现,那么是否会由此推出我们所有的经验证据仅仅是一种近似,从而削弱对量子引力理论自身的经验确证?罗维利回应:Maudlin 和其他人也问过类似的问题,我的回应是并非如此。在我报告的开头,我讨论了牛顿时空和相对论时空的概念。牛顿将时空设想为某种度规结构或容纳事件发生的背景,认为我们必须身处其中才能去做测量、去谈论我们周围的事物;量子引力没有改变这一切。我们来考虑空间吧,在量子引力理论中,如果我在此处,我可以测量某个临近的事物;这与存在一个连续的、定义了度规和距离的牛顿时空无关。但将两个概念混同起来,才导致了上述困惑的出现。我们能够有一个完美的、经验适当的测量/观察的概念,指明“现在”“在这里”的某个物理量的值,而不必去谈论牛顿时空。被用于描述世界的局域算符所要求的“位置”的确存在于量子引力中,尽管其他方面(aspect / layer)的时空在基础层面(level)上并不存在。再想想,牛顿以前,人们在没有度规的情况下,仍然知道“这里”和“现在”是什么意思,难道我们要说牛顿以前没有人有经验适当性的概念吗?当然不会。这个问题的产生,是由于没有分清时间或空间概念的不同方面。
两场讲座的线上回放:
时间、时间指向、记忆和能动性
https://www.bilibili.com/video/BV1xT4y1Z7Wk
在量子引力中,空间和时间怎么了?
https://www.bilibili.com/video/BV1G3411C7pJ
记录 / 翟宸宇
校订 / 颜春玲
编辑 / 翟宸宇
审核 / 吴东颖
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