[论文解读] Quantum Gravity: Has Spacetime Quantum Properties?

Reiner Hedrich|ArXiv.org|Feb 2, 2009

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 127被引用 4

一句话总结

本文挑戰了引力必須被量子化的假設，提出時空與引力可能 instead 是從更深層的量子過程中產生的、本質上經典的現象。論文主張，若引力並非基本理論，而是由宏觀效應所引發，則對廣義相對論進行量子化會產生無實體對應的偽像，使基於量子資訊與計算的顯現引力模型——尤其在這些模型中——越來越成為量子引力理論的有力候選。

ABSTRACT

The incompatibility between GR and QM is generally seen as a sufficient motivation for the development of a theory of Quantum Gravity. If - so a typical argumentation - QM gives a universally valid basis for the description of all natural systems, then the gravitational field should have quantum properties. Together with the arguments against semi-classical theories of gravity, this leads to a strategy which takes a quantization of GR as the natural avenue to Quantum Gravity. And a quantization of the gravitational field would in some sense correspond to a quantization of geometry. Spacetime would have quantum properties. But, this strategy will only be successful, if gravity is a fundamental interaction. - What, if gravity is instead an intrinsically classical phenomenon? Then, if QM is nevertheless fundamentally valid, gravity can not be a fundamental interaction. An intrinsically classical gravity in a quantum world would have to be an emergent, induced or residual, macroscopic effect, caused by other interactions. The gravitational field (as well as spacetime) would not have any quantum properties. A quantization of GR would lead to artifacts without any relation to nature. The serious problems of all approaches to Quantum Gravity that start from a direct quantization of GR or try to capture the quantum properties of gravity in form of a 'graviton' dynamics - together with the, meanwhile, rich spectrum of approaches to an emergent gravity and/or spacetime - make this latter option more and more interesting for the development of a theory of Quantum Gravity. The most advanced emergent gravity (and spacetime) scenarios are of an information-theoretical, quantum-computational type.

研究动机与目标

• 挑戰普遍認為引力必須被量子化的假設，理由是量子力學的普遍性。
• 檢視引力是否可能是一種顯現的、經典的現象，而非基本的量子相互作用。
• 評估顯現引力情景作為直接對廣義相對論進行量子化之替代方案的可行性。
• 評估非基本引力對引力子或正則量子化方法的影響。
• 強調資訊理論與量子計算模型在顯現時空框架中的相關性日益增加。

提出的方法

• 分析在量子力學普遍有效的假設下，對廣義相對論進行量子化的邏輯一致性。
• 探討將引力視為本質上經典、由底層量子動力學所引發的宏觀效應的後果。
• 回顧現有的顯現引力方法，特別是那些建立在量子資訊與計算模型上的方法。
• 對比直接量子化（例如非可重整化、缺乏可觀測引力子）所帶來的問題，與顯現框架所具備的理論優勢。
• 檢視半經典引力作為失敗的中間步驟，當量子場與經典時空相互作用時會導致不一致。
• 主張時空幾何可能並非基本，而是來自更深層量子底層中量子糾纏或資訊理論結構的產物。

实验结果

研究问题

• RQ1 若量子力學普遍有效，是否必然意味著引力必須被量子化？
• RQ2 將廣義相對論作為基本理論進行量子化，存在哪些理論與概念上的問題？
• RQ3 引力是否可以是一種由更基本的量子相互作用所產生的顯現、經典現象？
• RQ4 若時空幾何並非基本而是顯現的，對量子引力有何影響？
• RQ5 資訊理論與量子計算模型如何提供傳統量子引力方法的可行替代方案？

主要发现

• 若引力並非基本相互作用，則量子力學要求引力被量子化的假設並非邏輯必要。
• 若引力是顯現且經典的，則對廣義相對論進行量子化會產生無實體對應的偽像。
• 半經典引力導致不一致，例如火牆悖論，顯示其無法作為基本描述。
• 顯現引力情景——特別是基於量子資訊與計算的模型——為量子引力提供了更一致的框架。
• 缺乏引力子的實驗證據，以及量子引力的不可重整化性，支持引力可能不是基本量子場的觀點。
• 最先進的顯現模型表明，時空幾何來自糾纏與量子資訊，而非基本量子場。