量子引力与相对论的关系（量子引力没有对称性意味着什么）

用来证明量子引力不可能具有任何全局对称性的图表。对称，如果存在，只能作用于图中的阴影区域，不会引起中间黑点周围的变化。通过越来越多地划分边界圆，阴影区域可以变得尽可能小。因此，所谓的对称不会在圆的任何地方发生作用。如果你想全面描述宇宙在基本层面上是如何运作的，你必须从两种不同的、不相容的角度来看待它。要描述粒子及其电磁和核相互作用，你需要使用量子场论(QFT)的框架，量子场渗透到宇宙中，它们的激发产生我们所知的粒子。要描述物质和能量的每一个量子如何在宇宙中运动，我们需要广义相对论(GR)的框架，其中物质和能量定义时空如何弯曲，弯曲时空告诉物质和能量如何运动。

然而，这两种理论是相互矛盾的，为了让它们协同工作，我们需要发展量子引力的工作理论。然而，量子引力不对称是什么意思？这是一个具有重大意义的迷人发现。让我们来看看这是什么意思。

• ​费曼图(上图)基于点粒子及其相互作用。将它们转换成弦理论类似物，就会产生具有非平凡曲率的曲面。在弦理论中，所有的粒子只是一种基本结构的不同振动模式：弦。但是，弦理论所期望的量子引力理论，是否具有对称性，以及守恒定律？

当你听到“对称”这个词时，脑海中可能会浮现出各种各样的画面。字母表中的一些字母——比如“A”或“T”——显示出对称性，如果你沿着它们的中心画一条垂直线，它们的左右两边是对称的。其他字母，如“B”或“E”，也有类似的对称性，但方向不同：水平方向，上下对称。还有一些——比如“O”——具有旋转对称性，无论你旋转多少度，它的外观都是不变的。

这是一些对称的例子，很容易看出来，但它们不是详尽的。当然，有些系统与它们的镜像没有区别，这被称为奇偶对称。另一些证明了旋转对称性，无论你从哪个角度看它。但是还有很多其他的，都是至关重要的。

• ​字母表中有许多字母具有特殊的对称性。注意，这里显示的大写字母只有一行对称；像“I”或“O”这样的字母不止一个。有些系统对于物质和反物质是一样的：它们表现出电荷共轭对称性。

有些系统遵循同样的规律，如果你在时间上向前进化，它们也会遵循同样的规律，如果你在时间上向后进化，它们也会遵循同样的规律：时间反转对称性。还有一些不依赖于物理位置(平移对称)或你什么时候观察系统(时间平移对称)或你所处的非加速参考系(洛伦兹对称)。

• ​激光帆的概念依赖于一个大的激光阵列打击和加速一个相对较大的面积，低质量的航天器。这有可能将非生命体加速到接近光速的速度，使人类在一生中就能进行星际旅行。当物体移动一定距离时，激光所做的功是能量从一种形式转移到另一种形式的一个例子。加速参考系是非惯性系的一个例子；对于这些系统，洛伦兹对称并不严格成立。

不仅仅是物理系统能够遵循(或违背)对称。只要你有一个方程(或者一般的定量理论)，你就可以测试它们，看看它们遵守哪些对称性，哪些不遵守。

例如，在各种量子场论中，受到电磁力作用的粒子服从奇偶性、电荷共轭和时间反转对称性，这些都是相互独立的。无论粒子的运动方向如何，它们的电磁是相同的；粒子和反粒子也是如此；在时间上向前和向后是一样的。

另一方面，受到弱核力作用的粒子会分别违反奇偶性、电荷共轭和时间反转。左介子衰变与右介子不同。中性介子和中性反介子具有不同的性质。b介子衰变具有时间不对称的转化速率。但即使是弱相互作用也遵循这三种对称的组合：如果对一个在时间上向前运动的粒子和一个反粒子进行实验，反粒子的运动在时间上向后运动，会得到相同的物理结果。

• ​反粒子的粒子变化和反粒子在镜子中的反射同时代表CP对称。如果反镜衰减不同于正常衰减，则违反CP。如果CP违反时间反转对称性，则称为T。C、P和T的组合对称性，所有在一起，必须在我们现有的物理定律下保持守恒，并对相互作用的类型进行暗示，这些相互作用是允许的，也是不允许的。

在GR中，不同的空间时间遵循不同的对称性。描述非旋转黑洞的史瓦西时空具有时间平移、镜像和完全旋转对称性。描述旋转黑洞的时空表现出时间平移对称性，但只有围绕一个轴的旋转对称性。另一方面，描述膨胀的宇宙的时空有很多对称性，但时间平移不是其中之一：膨胀的宇宙在不同的时间点是不同的。

• ​如果你有一个不变的静态时空，能量守恒就得到了保证。但是如果空间结构随着你感兴趣的物体的运动而改变，在广义相对论下就不再有能量守恒定律了。

总的来说，这些对称对我们理解宇宙是极其重要的，并且对现实有着巨大的影响。你看，在物理学和数学的交叉点上有一个绝妙的定理，它表述了如下内容：物理理论所展示的每一个独特的数学对称性，都必然意味着一个相关的守恒量。这个定理——以其发现者、无与伦比的数学家埃米·诺特的名字命名为诺特定理——是某些量守恒或不守恒的根源。

时间平移对称性导致能量守恒，这就解释了为什么能量在膨胀的宇宙中不守恒。空间平移对称性导致动量守恒；旋转对称导致角动量守恒。甚至CPT守恒——电荷共轭、奇偶性和时间反转对称性都结合在一起——也是洛伦兹对称的结果。

• ​量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。经典引力的量子修正被可视化为回路图，如图所示。空间(或时间)本身是离散的还是连续的还没有定论，就像重力是否被量化的问题一样，或者粒子，正如我们今天所知道的，是否是基本的。但是如果我们希望有一个关于万物的基本理论，它必须包括量子化场。

某些对称性是特定量子场论或一般量子场论固有的，某些对称性是GR或一般GR中的特定解决方案固有的。但是这两种对宇宙的描述都是不完整的。对现实有很多问题可以问，需要我们理解发生了什么，引力是重要的或者时空的曲率是极强的，而且当距离尺度非常小或者单个量子效应在起作用(我们需要QFT)。

这些问题包括：

1. 当电子穿过双缝时，它的引力场会发生什么变化？
2. 如果黑洞的最终状态是热辐射，那么形成黑洞的粒子的信息会发生什么变化？
3. 引力场/力在奇点及其周围的行为是什么？

要解决这些问题，GR和QFT单独是不够的。我们需要更多的东西：在量子层面上理解重力。

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• 全息图是一个二维的表面，它包含了关于整个三维物体的信息。全息原理的概念是我们的宇宙和描述它的量子场理论定律是包含量子引力的高维时空的表面。

当然，我们没有量子引力的工作理论，或者我们能够理解它的对称性。但即使没有一个完整的理论，我们也有一个巨大的线索：全息原理。正如二维全息图在其表面编码三维信息一样，全息原理允许物理学家将N维时空中发生的事情与N-1维共形场理论联系起来：AdS/CFT对应。

AdS代表反德西特空间(anti-de Sitter space)，在弦理论的背景下，反德西特空间经常被用来描述量子引力，CFT代表保角场理论(conformal field theory)，比如我们用来描述四种基本相互作用中的三种的量子场论。虽然没有人确定这是否适用于我们的宇宙，但有很多很好的理由认为它适用。

• ​在标准模型中，中子的电偶极矩预计比我们的观测极限大100亿倍。唯一的解释是，某种超越标准模型的东西在强相互作用中保护了CP对称性。我们可以在科学上证明很多东西，但永远无法证明CP在强相互作用中是守恒的。这太糟糕了;我们需要更多的cp违逆来解释宇宙中物质反物质的不对称性。如果AdS/CFT通信是正确的，则不可能存在全局对称。

新的结果是：在AdS/CFT框架内，不存在全局对称性。这篇论文发表于2019年5月17日，题目是《全息术对对称性的限制》，作者是丹尼尔·哈洛。特别是，它再次表明，在AdS/CFT的背景下，以下三个猜测是正确的。

1. 量子引力不允许任何类型的全局对称性。
2. 量子引力要求任何内部规范对称(这意味着守恒定律，如电荷、颜色电荷或弱等旋)在数学上都是紧密的。
3. 量子引力要求任何内部规范对称都必须伴随着以所有不可约表示形式变换的动力物体。每一个都值得详细阐述，但第一个是最强大和深刻的。

• ​如果一个理论不是相对不变的，那么不同的参照系，包括不同的位置和运动，将会看到不同的物理定律(并且在现实中也会产生分歧)。在速度变换下具有对称性，这一事实告诉我们，有一个守恒量：线性动量。当动量不仅仅是一个与粒子有关的量，而是一个量子力学算符时，这就更难理解了。如果全息原理是正确的，这种对称性就不可能在全球范围内存在。

这三个猜想都存在了很长时间，但它们都不是严格意义上的QFT或GR(或任何形式的经典物理学)。事实上，所有这些经典论点都植根于黑洞物理学，并且都需要某些假设，如果违反这些假设，就会出现各种各样的漏洞。但是如果AdS/CFT的对应关系是正确的，全息原理也适用于我们宇宙中的量子引力，那么这三个猜想都是正确的。

第一个意思是没有守恒定律总是成立的。可能有很好的近似守恒定律仍然有效，但没有任何东西——不是能量，不是电荷，不是动量——在所有条件下都是明确或严格守恒的。甚至可以违反CPT和洛伦兹不变性。另外两种则更为微妙，但有助于将全球对称性扩展到局部条件：它们阻止了电荷在一个位置瞬间隐形传输到另一个断开连接的位置，并要求存在该理论允许的所有可能电荷，比如磁单极子。

• ​1982年，在布拉斯·卡布雷拉的领导下进行了一项实验，一项有8圈导线的实验，探测到8个磁子的磁通变化：磁单极子的迹象。不幸的是，在检测时没有人在场，而且从来没有人复制这个结果或发现第二个单极子。尽管如此，如果弦理论和这个新结果是正确的，磁单极子，没有任何法律禁止，一定在某种程度上存在。

被证明适用于全息宇宙的三个量子引力猜想，自1957年以来一直以某种形式存在，但直到现在它们还只是猜想。如果全息原理(以及AdS/CFT，以及延伸开来的弦理论)是正确的，那么所有这些猜想都必然是正确的。没有全局对称性，在所有可以想象的情况下，宇宙中没有任何东西总是守恒的(即使你需要达到普朗克尺度才能看到违规)，而且所有非禁带电荷都必须存在。这对于我们理解量子宇宙将是革命性的。

我们不知道全息原理是否正确，或者这些关于量子引力的假设是否正确。然而，如果它是正确的，那就意味着，一旦你把引力包括在内，我们在今天所熟知的物理学中所珍视的对称性就不再是全局性的、基础性的了。矛盾的是，如果弦理论是正确的，我们对隐藏对称性的期望在更基本的层面揭示了它们自己，这不仅是错误的，而且自然界根本就没有全局对称性。