乙個世紀前，物理學的突破是迅速的。 有量子力學和愛因斯坦的時空理論，有大量的新粒子，兩種新的核力，最終是粒子物理學的標準模型。 這種進步及其技術應用贏得了尊重，如果不是完全的恐懼的話。
但今天，物理學的基礎是乙個昏昏欲睡的地方。 乙個世紀前，我們仍然在咀嚼同樣的問題——所有這些咀嚼並沒有使它們更容易消化。 什麼是暗物質？ 量子力學的真正含義是什麼？ 為什麼引力拒絕與量子物理學一起工作？ 當我無法入睡時，我以為這些問題讓愛因斯坦夜不能寐。
從那時起，針對這些問題提出了許多解決方案，但很少有真正的新問題出現。 這就是為什麼我很高興看到倫敦大學學院量子理論教授喬納森·奧本海姆（Jonathan Oppenheim）最近發表的一篇文章。
我過去見過奧本海姆幾次，因為我們有相似的思想史。 奧本海姆和我都研究過黑洞，更具體地說，是關於黑洞是否真的會破壞資訊的問題。 似乎我們倆都得出結論，如果不首先了解空間、時間和量子物理學如何協同工作，我們就無法解決問題。 但在那裡，我們分道揚鑣。 雖然我把黑洞資訊悖論歸咎於量子物理學，但奧本海姆把罪魁禍首歸咎於引力。
平心而論，歸咎於重力更有意義，這是自然界基本力量的奇怪之處。 雖然電磁力（電和磁力的結合）、強核力（使原子核保持在一起）和弱核力（導致核衰變）都可以用量子過程來描述，但引力卻不是。
正如物理學術語所說，引力是一種“經典”或非量子理論，仍然由愛因斯坦的廣義相對論描述。 它是一種確定論理論，這意味著可以從過去的事件中推斷出未來的事件。 量子力學打破了這種決定論：它帶來了固有的隨機性，即不可避免的量子跳躍，每當你測量乙個粒子時都會發生。
根據量子力學，這種隨機性是根本的; 這並不是因為我們缺乏資訊，而只是大自然的樣子。 因此，在量子力學中，我們不能確定**，只能確定**。 例如，我們可以說乙個原子在 10 天內衰變，概率為 50%，但我們不能確切地說它何時衰變。
愛因斯坦一點也不喜歡這樣。 他認為，量子力學固有的隨機性僅僅意味著該理論是不完整的，並且它缺少一些東西。 他認為乙個好的理論應該是經典的，就像他自己的廣義相對論一樣，正如愛因斯坦打趣的那樣，如果他的理論是錯誤的，那麼他會為善良的上帝感到難過。
到目前為止，我們沒有必要為主感到難過。 愛因斯坦的傑作已經過無數次的精確測試，並經受住了任何鍛造它的嘗試。 儘管在經驗上取得了成功，但大多數物理學家認為這是錯誤的。 原因是廣義相對論無法描述我們知道在自然界中發生的一些情況。
舉個簡單的例子，這一刻可能發生在實驗室裡。 電子通過具有兩個薄狹縫的板傳送，即雙狹縫。 它是一種具有量子特性的粒子，因此電子可以同時通過兩個狹縫。 這不僅僅是乙個故事; 我們知道，這對於正確描述我們在狹縫後面的螢幕上的觀察是必要的。
我們也知道電子有質量，質量產生引力。 但是，如果電子通過雙狹縫，引力指向**？ 愛因斯坦的廣義相對論無法回答這個問題，因為它不能同時處理位於兩個地方的粒子。
這並不是愛因斯坦的數學無法應對的唯一情況。 還有乙個問題是黑洞內部發生了什麼，奧本海姆和我，以及許多其他物理學家，都試圖回答這個問題。 大**也出現了類似的問題。 愛因斯坦的理論不適合處理這些情況。 我們需要更好的東西，一種將量子物理學與引力相結合的理論，通常被稱為“量子引力”。
自 1930 年代以來，物理學家一直在討論這個問題，大約在暗物質首次被發現的同時。 幾十年來，他們一直相信愛因斯坦的引力可以轉化為量子理論，就像物理學家對電磁力所做的那樣。
到 1960 年代，事實證明它不起作用。 理察·費曼（Richard Feynman）和布萊斯·德威特（Bryce Dewitt）等人試圖使用已知的數學來給出引力中子的性質。 但由此產生的理論，現在被稱為“擾動量子引力”，並沒有奏效。 當外推到極端情況時，例如大**或黑洞的內部 - 這就是我們最感興趣的地方！ - 它產生了一種不可能是**的無限性質。 這導致了關於概率大於 1 的無用的數學廢話，這無助於物理學家理解真正發生的事情。
在那之後，還有許多其他嘗試將引力轉化為量子引力理論：弦理論、環量子引力、漸近安全引力、因果動力學三角測量等等。 它們都有其優點和缺點，但長話短說，它們都沒有說服力（除了做他們工作的人之外，任何人都沒有說服力）。
如果說過去50年教會了我們一件事，那就是調和量子物理學與引力比任何人想象的都要困難得多。 經過如此多的嘗試和失敗，我們似乎錯過了一些重要的東西。
物理學家可能缺少普本海姆的新理論。 從表面上看，他的想法很簡單：與其試圖賦予引力肌子的性質，不如讓引力像量子物理學一樣隨機，這樣兩者就可以結合起來。
粗略地說，奧本海姆假設空間和時間與時空結合在一起，不斷進行微小的隨機變化。 根據這個理論，時空在不知不覺中不斷地在我們周圍移動。 這種運動——不要與引力波的擺動混淆——與引力有關，因為在愛因斯坦的理論中，引力是由時空本身的曲率來描述的。
因此，在奧本海姆的框架中，時空的隨機變化會影響量子粒子的運動，而量子粒子又會影響時空的變化。 這是乙個雙向過程，與約翰·惠勒（John Wheeler）對廣義相對論的單行總結完全一致，即“時空告訴物質如何運動; 物質講述了時空是如何彎曲的。
然而，以這種方式將引力和量子物理學結合起來聽起來比實際更容易。 奧本海姆面臨的問題是，沒有數學來實現量子物理學和經典物理學的交叉：物理學家用數學來處理量子系統，用數學來處理非量子系統，但沒有數學來處理兩者的混合。 因此，奧本海姆必須自己發展這種數學。
大約五年前，我讀了他的一些早期作品，說實話，我並不是特別興奮。 （喬納森，如果你正在讀這篇文章，我是一名裁判，他寫道，這個想法“並非無趣”，但“非常投機、不成熟和模糊”。 我之所以堅持這樣做，是因為我真的覺得第一次嘗試產生的問題多於解決的問題。 但奧本海姆並沒有放棄，五年的時間已經產生了很大的不同。
值得一提的是，奧本海姆的理論在量子力學的基礎中有著密切的數學關係。
量子力學的標準形式主義在量子實驗中進行測量的那一刻突然引入了隨機元素。 在測量之前，量子系統可以有許多可能的結果，但一旦進行測量，這些可能性就會“崩潰”成為現實。
假設你通過乙個稱為分束器的半透明板傳送乙個光量子，乙個光子。 根據量子力學，並不是一半的光子通過，另一半被反射，而是所有的光子都**成兩種可能。 然而，一旦你測量了光子是否通過，你要麼檢測到它，要麼不檢測到它。 因此，這兩種可能性合二為一。
在量子力學中，這種坍縮是不連續的，也比光速快，這與愛因斯坦的觀點很難調和，即沒有什麼比光速傳播得更快。 測量坍縮的超光速過程不會對愛因斯坦的數學構成完全的問題，因為坍縮是不可觀測的。 這是因為你唯一觀察到的是測量的結果——即崩潰的後果——而不是之前發生的事情。 但它的不可觀測性也意味著我們無法知道它確實是不連續的。 這為我們嘗試用更好的東西來取代它提供了可能性，更符合愛因斯坦的想法。
一種方法是通過將這種突然的測量崩潰轉變為乙個漸進的過程來補救這種突然的測量崩潰。 這個想法在乙個統稱為“客觀崩潰模型”的模型中得到了追求。 在這些模型中，粒子在被測量時不會隨機跳到“現實”，而是進行許多小的調整，這些調整加起來就是我們所說的坍縮。 奧本海姆的方法模仿了這個想法，但也將其與重力聯絡起來，重力是造成這些隨機跳躍的原因。 在測量過程結束時，重力混合在非量子元素中。
重力本身就是測量崩潰的原因，這是羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）開創的想法。 現在，彭羅斯的方法與奧本海姆的方法完全不同，但它們仍然具有相關性，因為最終是引力導致了量子可能性的明顯崩潰。
奧本海姆的後量子引力改變了引力和量子物理學。 這是個好訊息，因為通過實驗測試與量子粒子相關的引力定律的變化是極其困難的，因為與其他基本力相比，引力在小範圍內是一種極其微弱的力。 然而，通過實驗測試與量子力學的偏差要容易得多，因為這些偏差可以用新的量子技術非常精確地測量，這為確定奧本海姆的想法是否正確開闢了一條道路。
引力不是量子理論的模型往往會增加量子物理學固有的不確定性。 這聽起來可能有點違反直覺，因為量子物理學以其不確定性而聞名，所以人們可能會認為將引力作為非量子理論會減少而不是增加這種不確定性。 唉，使引力成為非量子意味著它不符合我們所知道的粒子的量子特性——就像同時在兩個地方一樣。 兩者的結合放大了量子物理學的隨機性。 在實踐中，這可能會導致抖動增加，或測量值的意外大傳播。
這種量子不確定性的放大也發生在奧本海姆模型中。 在這種情況下，起源很容易確定：額外的不確定性來自假設的時空隨機性。 這為通過實驗測試它提供了可能性，例如通過精確跟蹤物體的引力，看看它是否意外波動。
例如，這可以通過標準（卡文迪許型）實驗來完成，該實驗通過將兩個物體懸掛在電線上並跟蹤物體相互吸引時電線中的鑽孔量來測量兩個物體之間的引力。 目前這種型別的實驗排除了後量子模型的變體，如果實驗的靈敏度可以進一步提高——我敢肯定有人在某個地方研究它——那麼這可以告訴我們仍然可行的變體是否出乎意料地波動**。
我不想向你隱瞞，我認為奧本海姆的理論是錯誤的，因為它仍然與愛因斯坦所珍視的區域性性原理不相容，該原理認為原因應該只從乙個地方傳播到最近的鄰居，而不是跨越距離。 我懷疑這遲早會引起一些問題，例如節能。 不過，我可能是錯的。
如果奧本海姆是對的，那就意味著愛因斯坦既是對的，也是錯的：引力的正確性仍然是乙個經典的、非量子的理論，而錯誤的是上帝確實在玩骰子。