摘要：物理学正面临一个根本性的难题：尽管量子力学在预测微观世界现象方面取得了巨大成功，精确度可达万亿分之一，但它与爱因斯坦的广义相对论始终无法实现统一。这一困境的核心在于两个理论对时间本质的理解存在根本分歧，而解决这一分歧可能需要彻底重新思考我们对现实的基本认知。

信息来源：https://www.nature.com/articles/d41586-025-02756-8

物理学正面临一个根本性的难题：尽管量子力学在预测微观世界现象方面取得了巨大成功，精确度可达万亿分之一，但它与爱因斯坦的广义相对论始终无法实现统一。这一困境的核心在于两个理论对时间本质的理解存在根本分歧，而解决这一分歧可能需要彻底重新思考我们对现实的基本认知。

近一个世纪以来，物理学家一直试图构建量子引力理论，但至今仍未达成基本共识。问题的关键不在于缺乏数学工具，而在于量子力学和广义相对论对时空性质的描述存在本质冲突。量子力学依赖于希尔伯特空间中的抽象演化和三维物理空间中测量之间的完美时间同步，但在广义相对论中，每个物体都拥有自己独特的时间体验，这种同步变得不可能实现。

哥本哈根诠释的局限性

在广义相对论中，每个粒子都有其独特的时间体验。图片来源：盖蒂

量子力学的标准诠释——哥本哈根诠释——建立在一个奇特的"位置二重性"基础上。量子系统的状态在抽象的希尔伯特空间中演化，遵循薛定谔方程的严格数学规律，同时通过测量与三维物理空间中的仪器发生相互作用。这种看似分裂的描述通过一个关键假设得以统一：希尔伯特空间中的时间与物理空间中的时间完全同步。

维尔纳·海森堡在1925年黑尔戈兰岛上的突破性发现揭示了原子跃迁并非发生在我们熟悉的三维空间中，而是发生在一个抽象的数学空间里。这个发现虽然震撼，但通过巧妙的理论构造得到了成功的实用化。量子态在希尔伯特空间中的旋转角度与流逝时间成正比，而这个时间与测量仪器所经历的物理时间保持完美同步。

这种同步的重要性怎么强调都不过分。正如英国喜剧节目中歌手必须在录音静音时保持与音乐的同步一样，量子系统必须与测量仪器保持时间上的完美协调。在量子力学中，这种协调总是完美的，以至于物理学家用同一个符号t来表示两种不同的时间概念。

然而，当我们试图将这套框架应用于引力时，根本性的问题就暴露出来了。引力不是存在于时空中的一种力或场，而是时空本身的几何性质。在爱因斯坦的广义相对论中，时空既是物理现象发生的舞台，又是参与演出的动态演员。

广义相对论的时间革命

广义相对论彻底改变了我们对时间和空间的认识。在牛顿的经典物理学中，时间是绝对的、均匀流逝的背景，空间是固定不变的舞台。但爱因斯坦证明，时间和空间实际上是一个统一的四维时空结构，这个结构可以弯曲、扭曲、波动，甚至承载能量。

在这个理论框架中，每个粒子、每个物体都沿着自己独特的"世界线"在时空中运动，体验着属于自己的时间流逝。两个分离的物体无法建立绝对的时间同步，因为它们各自的时间流逝速率取决于它们的运动状态和所处的引力场强度。这种时间的相对性使得哥本哈根诠释所要求的全局时间同步变得不可能。

更根本的问题在于，广义相对论中不存在"时空之外"的概念。一切物理实体要么是时空本身，要么存在于时空之中。这与哥本哈根诠释的基本要求——测量仪器必须存在于被测量的量子系统之外——形成了不可调和的矛盾。当量子系统就是时空本身时，我们无法在"时空外"放置测量仪器。

费曼的历史求和方法

面对这一理论困境，物理学家理查德·费曼在20世纪80年代提出了一种全新的量子理论诠释。费曼的方法完全绕过了希尔伯特空间的抽象概念，直接基于时空中的事件和历史来构建量子理论。

在费曼的框架中，物理预测不再依赖于抽象量子态的演化，而是通过对所有可能历史的求和来计算。每个可能的历史都被赋予一个复数权重，特定事件发生的概率通过将该事件所有可能历史的复数权重相加，然后对结果取模的平方来获得。

这种"历史求和"方法消除了哥本哈根诠释中奇特的位置二重性。不再需要希尔伯特空间中的量子态与物理空间中的测量仪器之间的神秘相互作用，一切都发生在统一的时空框架内。量子的奇异性仍然存在，但它现在表现为费曼概率的非经典行为，而不是空间位置的二重性。

物理学家詹姆斯·哈特尔和拉斐尔·索尔金在费曼工作的基础上，进一步发展了这种方法，使其能够处理引力系统。在他们的框架中，每个历史不仅包含物质粒子的轨迹，还包含时空几何本身的动态演化。这样，量子引力中的每个历史都描述了一个包含物质的时空如何演化。

宇宙学的惊人验证

最令人震惊的是，这种看似抽象的理论方法已经产生了具体的宇宙学预测，并且得到了观测验证。20世纪90年代初，索尔金运用历史求和方法，结合"事件是原子的"假设——即认为时空由不可分割的最小事件单元组成——做出了一个大胆预测。

索尔金预测宇宙常数不应该为零，而应该具有约10的负120次方自然单位的当前值。更重要的是，他预测这个"常数"实际上并不恒定，而是在宇宙历史中波动。这一预测在当时看起来极为激进，因为主流观点认为宇宙常数为零。

1998年，对遥远超新星的观测证实了索尔金的预言。天文学家发现宇宙不仅在膨胀，而且膨胀在加速，其速率与索尔金预测的宇宙常数值完全吻合。这一发现不仅为发现者赢得了诺贝尔奖，更重要的是为历史求和方法提供了强有力的实验支持。

最新的宇宙学观测数据甚至暗示，宇宙常数可能确实如索尔金预测的那样是变化的，而不是真正的常数。这种变化的暗能量概念正在成为现代宇宙学的一个重要研究方向。

理论发展的挑战与前景

尽管历史求和方法在处理量子引力问题上显示出巨大潜力，但它仍面临着重大的理论挑战。最主要的问题是微观事件的费曼概率不满足经典概率的基本性质。对于宏观事件，如测量结果或天气现象，费曼概率表现正常。但对于单个基本粒子的行为，这些概率的加法性质出现问题，主要因为涉及的是复数和的模平方，而不是简单的概率相加。

哈特尔和索尔金分别提出了不同的解决方案，但这仍是一个开放性问题。然而，即使在当前的发展阶段，历史求和方法已经为量子引力研究开辟了新的道路，并产生了可观测的宇宙学预测。

展望未来，微观物理学与宇宙学之间的联系可能变得更加紧密。我们对量子世界基本性质的理解，很可能需要通过对宇宙这个最大量子系统的观测来获得启发。从海森堡在小岛上的原子跃迁发现，到索尔金对宇宙常数的预测，量子物理学已经从原子尺度扩展到宇宙尺度。

这种跨尺度的理论统一不仅是物理学的技术挑战，更是人类对自然界基本规律认识的深化。时间的本质——这个困扰了哲学家和物理学家几个世纪的问题——可能最终在量子引力理论中找到答案。未来的一百年很可能见证微观量子世界与宏观宇宙结构的进一步融合，为我们理解现实的终极本质提供全新的视角。

来源：人工智能学家