一個世紀前，物理學的突破是迅速發生的。 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。 這一進步及其技術套用贏得了尊重，如果不是徹頭徹尾的恐懼的話。
但今天，物理學的基礎是一個昏昏欲睡的地方。 我們仍然在咀嚼一個世紀前的相同問題——所有這些咀嚼並沒有使它們更容易消化。 什麽是 暗物質 ？ 量子力學的真正含義是什麽？ 為什麽重力拒絕與量子物理學合作？ 當我無法入睡時，我想這些問題已經讓愛因斯坦夜不能寐了。
從那時起，針對這些問題中的每一個都提出了許多解決方案的想法，但很少有真正的新問題能夠見到曙光。 這就是為什麽我非常興奮地看到倫敦大學學院量子理論教授莊拿芬·奧本海姆（Jonathan Oppenheim）最近發表的文章。
我過去曾見過幾次奧本海姆，因為我們有著相似的思想史。 奧本海姆和我都曾經研究過黑洞，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，就無法解決問題。 但在那裏，我們分道揚鑣了。 雖然我把黑洞資訊悖論歸咎於量子物理學，但奧本海姆卻把罪魁禍首歸咎於重力。
平心而論，把責任歸咎於重力更有意義，因為重力是自然界基本力中一個奇怪的。 雖然電磁學（電力和磁力的結合）、強核力（使原子核保持在一起）和弱核力（導致核衰變）都是由量子過程描述的，但重力不是。
正如物理學術語所說，重力是一種「經典」或非量子理論，仍然由愛因斯坦的廣義相對論來描述。 它是一種確定性理論，這意味著未來的事件可以從過去的事件中推匯出來。 量子力學打破了這種決定論：它帶來了固有的隨機性，即不可預測的量子跳躍，每當你測量一個粒子時就會發生。
根據量子力學，這種隨機性是基本的; 這不是 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，我們無法做出明確的預測，只能做出概率預測。 例如，我們可以說一個原子在10天內以50%的概率衰變，但不能確切地說它何時衰變。
愛因斯坦根本不喜歡這樣。 他認為量子力學固有的隨機性只是意味著理論是不完整的，它缺少一些東西。 他認為，一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，那麽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，並經受住了任何試圖偽造它的企圖。 盡管在實證上取得了成功，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。
舉一個簡單的例子，此刻可能發生在實驗室中。 電子透過帶有兩個細縫的板發送，即雙縫。 它是一種具有量子特性的粒子，因此電子可以 同時穿過兩個狹縫 。 這不僅僅是一個故事; 我們知道，這對於在狹縫後面的螢幕上正確描述我們的觀察是必要的。
我們也知道電子有質素，質素會產生重力。 但是，如果電子透過雙縫，重力指向哪裏？ 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。 還有一個問題，即黑洞內部發生了什麽，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。 大爆炸也 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重力相結合的理論，通常稱為 「量子重力」。
物理學家早在1930年代就已經在討論這個問題，大約在暗物質首次被發現的同時。 幾十年來，他們認為愛因斯坦的重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。
到了 1960 年代，事實證明這行不通。 李察·費曼（Richard Feynman） 和布萊斯·德威特（Bryce DeWitt）等人試圖使用已知的數學賦予重力量子特性。 但是由此產生的理論（現在稱為「擾動量子化重力」）並沒有奏效。 當外推到極端情況，如大爆炸或黑洞內部——這正是我們最感興趣的地方！——它產生了無法治愈的無限性。 這些導致了對概率大於一的預測，無用的數學廢話，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重力轉化為量子重力理論： 弦理論 、環量子重力、漸近安全重力、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，它們的缺點使它們都無法令人信服（除了從事它們工作的人之外，對任何人都有說服力）。
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重力的問題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。
Ppenheim的新理論可能是物理學家所缺少的。 從表面上看，他的想法很簡單：與其試圖賦予重力量子內容，不如讓重力像量子物理學一樣隨機，這樣兩者就可以結合在一起。
粗略地說，奧本海姆假設空間和時間與時空相結合，不斷進行微小的隨機變化。 根據這一理論，時空在我們周圍不斷不知不覺地移動。 這種移動——不要與重力 波的擺動 混淆——與重力聯系在一起，因為在愛因斯坦的理論中，重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，而這些量子粒子反過來又影響時空的變化。 這是一個雙向的過程，與 約翰·惠勒（John Wheeler ）對廣義相對論的單行總結完全一致，即「時空告訴物質如何移動; 物質告訴時空如何彎曲。
但是，以這種方式將重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，沒有數學可以實作量子物理學和經典物理學的交匯點：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。 所以，奧本海姆不得不自己去發展這種數學。
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。 （莊拿芬，如果你正在讀這篇文章，我是裁判，他寫道這個想法「不是無趣的」，而是「非常投機、不成熟和模糊」。 我堅持這一點，因為我真的覺得第一次嘗試造成的問題比它解決的問題多。 但奧本海姆沒有放棄，五年來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親戚。
量子力學的標準形式主義在量子實驗中測量發生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，但是一旦進行了測量，這些可能性就會「塌縮」成一個現實。
假設你發送一個光量子，一個光子，透過一個稱為分束器的半透明板。 根據量子力學，並不是一半的光子透過而另一半被反射，而是所有光子都分裂成兩種可能性。 然而，一旦你測量了光子是否透過，你要麽檢測到它，要麽不檢測到它。 因此，兩種可能性已經合二為一。
在量子力學中，這種塌縮是一個不連續的、也比光速更快的過程，這很難與愛因斯坦關於沒有任何東西比光速傳播得更快的想法相調和。 測量塌縮的超光速過程不會對愛因斯坦的數學造成徹底的問題，原因是塌縮是不可觀測的。 這是因為你觀察到的唯一是測量的結果——即坍塌的後果——而不是它之前發生的事情。 但它不可觀測也意味著我們無法知道它確實是不連續的。 這為我們開啟了嘗試用更好的東西來取代它的可能性，一些更符合愛因斯坦想法的東西。
一種方法是透過將其轉變為一個漸進的過程來補救這種突然的測量崩潰。 這個想法在統稱為「客觀崩潰模型」的模型中得到追求。 在這些模型中，一個粒子在測量時不會隨機跳躍到一個「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塌縮。 奧本海姆的方法模仿了這個想法，但也將其與重力聯系起來，因為重力是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·潘洛斯（Roger Penrose ）率先提出的一個想法。 現在，潘洛斯的方法與奧本海姆的方法完全不同，但它們仍然是相關的，因為最終是重力導致了量子可能性的明顯崩潰。
奧本海姆的後量子重力改變了重力和量子物理學。 這是個好訊息，因為透過實驗測試與量子粒子有關的重力定律的變化是極其困難的，因為與其他基本力相比，重力在小尺度上是一種極其微弱的力。 然而，透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成立開辟了一條道路。
重力不是量子理論的模型通常傾向於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，因此人們可能會認為將重力保留為非量子理論會減少而不是增加這種不確定性。 唉，讓重力成為非量子意味著它不符合我們所知道的粒子所具有的量子特性——比如同時在兩個地方。 將兩者結合在一起，就會放大量子物理學的隨機性。 在實踐中，這可能會導致抖動增加，或者測量結果意外地大量傳播。
量子不確定性的這種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時空的假設隨機性。 這為實驗測試它提供了可能性，例如透過精確跟蹤物體的重力，看看它是否意外波動。
例如，這可以透過一個標準 （卡文迪許型） 實驗來完成，該實驗透過將兩個物體懸掛在電線上並跟蹤物體相互吸引時電線的鉆孔量來測量兩個物體之間的重力。 目前這種類別的實驗排除了後量子模型的一個變體，如果實驗的靈敏度可以進一步提高——我相信有人在某個地方正在研究——那麽這可以告訴我們仍然可行的變體是否在意想不到的波動中出現。
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地方性原則不相容，該原則說原因應該只從一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問題，例如節能問題。 不過，我可能錯了。
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：重力的正確性仍然是一個經典的、非量子的理論，而錯誤的是 上帝確實在玩骰子 。
