在普朗克尺度下,物理还是理论,什么会崩溃?

时间:2022-01-10 08:35:10   作者:
在普朗克尺度上崩溃的是我们现有的既定理论。

例如,在广义相对论中,当我们试图完全描述一个黑洞时,我们发现该理论预测了一个物理奇点(时空曲率变得无限大)在中心。在自然界中没有真正的无限,所以当黑洞中心的曲率变得非常大的可能性存在时,很明显,这是广义相对论的一个缺点。特别是,广义相对论是经典的,我们希望量子效应在黑洞的中心发挥作用,这显然没有被任何经典理论完全捕获,如果有的话。

我们也有一个框架来描述我们的理论何时失效。这个在现代研究中被广泛使用的框架(在每一本量子场理论教科书中都能找到)就是重正化群。它本质上向我们展示了我们的理论的极限,并指出我们可以在何种能量尺度上使用它们。即使是主要由费曼、施温格和Tomonaga发展起来的电磁学量子理论——量子电动力学(QED),也在我们称之为朗道极的能量尺度上崩溃。

在朗道极,控制该理论相互作用“强度”的理论的耦合常数变成无穷大。人们可能会天真地认为它是物理的,但事实证明,当我们使用完整的粒子物理标准模型时,它用与弱和强相互作用相对应的其他场来增强电磁场,我们可以超越朗道极。更准确地说,它表明,在只有QED(没有其他场)的背景下,朗道极表明,我们遗漏了一些物理(其他场),以便能够继续了解在更高的能量下发生了什么,而不是相应的朗道极。

这一切都说得通。即使在经典电磁学中,当一个人考虑到不止一个粒子的相互作用时,他也可以达到非物理的无限,这种无限源于电荷与自身的相互作用(经典的,因为电子也与自己的电磁场相互作用)。经典理论(由麦克斯韦方程组决定)不能处理这个问题。这是理论的一个极限。在QED中,粒子与自身相互作用的概念被相应的量子场与自身相互作用(例如某一相互作用,如ϕ3或ϕ4)所取代,并且粒子能够处理这些自相互作用。这就产生了有效质量和依赖于能量(或距离)尺度的耦合常数的现象。这些都是重新正常化的核心。

也有超越普朗克极限的理论,比如弦理论和环圈量子引力理论,但这些理论还没有建立起来。物理学家们正试图挖掘普朗克尺度以外的物理学,这一事实表明,这个团体相信,是理论而不是物理学被推翻了;如果是后者,为什么要发明或发现超越物理极限的理论呢?
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