数学新发现或将揭示宇宙的秘密，找到“大统一理论”

爱因斯坦的引力理论如何与量子力学统一起来？这是一个挑战，可以让人们对黑洞和宇宙的诞生等现象有更深刻的了解。

现在，由瑞典查尔姆斯理工大学和美国麻省理工学院的研究人员在《自然通讯》上发表的一篇新文章中，提出了对理解量子引力重要挑战的新认识。

现代理论物理学的一个巨大挑战是找到一个“大统一理论”，即能够在一个单一的框架内描述所有的自然规律——连接爱因斯坦的广义相对论和量子力学——的理论。这样一个“量子引力”理论将包括对自然界的宏观和微观描述。

“我们努力理解自然规律，而这些规律的书写语言就是数学。当我们在物理学中寻求问题的答案时，我们往往也会被引导到数学中。”查尔姆斯理工大学数学科学系教授丹尼尔-佩尔森（Daniel Persson）解释说，“这种互动在寻找量子引力方面尤为突出，因为进行量子引力的实验是非常困难的。”

需要统一描述的一个例子是黑洞。当一颗足够重的恒星在其自身的引力下膨胀和坍缩，从而使其所有的质量都集中在一个极小的体积内时，就会形成黑洞。对黑洞的量子力学描述仍处于起步阶段，但涉及高级数学。

量子引力的一个简化模型

科学家说：“挑战在于描述引力是如何作为一种'涌现'现象产生的。正如日常现象--如液体的流动由单个液滴的混乱运动产生一样，我们想描述引力如何从微观层面的量子力学系统中产生。”

在最近发表在《自然通讯》杂志上的一篇文章中，科学家们在一个被称为“全息原理”的量子引力简化数学模型中，展示了引力是如何从一个特殊的量子力学系统中出现的。

暗能量的涟漪

这篇新文章还可能对神秘的暗能量提供新的见解。在爱因斯坦的广义相对论中，引力被描述为一种几何现象。就像一张新铺的床在人的重量下会弯曲一样，重物也可以弯曲宇宙的几何形状。但根据爱因斯坦的理论，即使是真空空间--宇宙的“真空状态”--也有丰富的几何结构。如果你能放大并在微观层面上观察这种真空，你就会看到量子力学波动或波纹（被称为暗能量）。这种神秘的能量形式，从一个更大的角度来看，是宇宙加速膨胀的原因。

这项新工作可能带来对这些微观的量子力学波纹如何以及为何产生的新见解，以及爱因斯坦的引力理论和量子力学之间的关系，这是几十年来科学家们一直无法解决的问题。

科学家表示，这些结果为测试全息原理的其他方面提供了可能性，如黑洞的微观描述。他们也希望将来能够利用这些新的联系，在数学上取得新的突破。

该研究论文题为"Emergent Sasaki-Einstein geometry and AdS/CFT"，已发表在《自然·通讯》期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27951-9