麻省理工學(xué)院(MIT)和加州理工學(xué)院(Caltech)以及東京大學(xué)研究人員研究了一組關(guān)于量子引力對(duì)稱(chēng)性的老猜想。具體猜想：(1)量子引力不允許全局對(duì)稱(chēng)性；(2)對(duì)于規(guī)范對(duì)稱(chēng)，必須實(shí)現(xiàn)所有可能的電荷；(3)內(nèi)規(guī)組必須緊湊。

研究人員發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上的論文表明，這些舊假設(shè)在反德西特/保角場(chǎng)理論(AdS-CFT)的對(duì)應(yīng)關(guān)系中成立。開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一Hirosi Ooguri說(shuō)：從歷史上看，對(duì)稱(chēng)的概念在物理學(xué)中扮演著重要角色。

無(wú)論是在確定和形成自然的基本定律，還是在利用這些定律來(lái)理解和預(yù)測(cè)自然現(xiàn)象，比如動(dòng)力學(xué)和物質(zhì)的相位。然而，有理論證據(jù)表明，一旦我們把引力和量子力學(xué)(現(xiàn)代物理學(xué)的兩個(gè)基本概念)結(jié)合起來(lái)，所有的全息對(duì)稱(chēng)性都消失了。在物理學(xué)中，對(duì)稱(chēng)可以有兩種：規(guī)范對(duì)稱(chēng)和全局對(duì)稱(chēng)。幾十年來(lái)，研究人員一直提出，在量子引力中不應(yīng)該存在全局對(duì)稱(chēng)性，因?yàn)橐土孔恿W(xué)的統(tǒng)一理論不允許任何對(duì)稱(chēng)性。這是一個(gè)深刻的主張，具有重要的后果。

例如，它預(yù)測(cè)質(zhì)子在衰變?yōu)槠渌Ｗ訒r(shí)是不穩(wěn)定的，參與這項(xiàng)研究的另一位研究員丹尼爾哈洛(Daniel Harlow)說(shuō)：粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型具有兩種對(duì)稱(chēng)性，所以我們預(yù)測(cè)，全息對(duì)稱(chēng)性只能是近似的。到目前為止，這個(gè)想法得到了一些間接的支持，但沒(méi)有令人信服的論據(jù)。在研究論文中，在AdS/CFT通信的特殊情況下給出了我們認(rèn)為相當(dāng)有說(shuō)服力的論據(jù)。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系給出了我們最理解的量子引力理論，能夠證明它不允許全息對(duì)稱(chēng)。

在研究人員發(fā)表該論文之前，其他研究人員提出了支持量子引力(量子力學(xué)和引力的統(tǒng)一)不可能有任何對(duì)稱(chēng)性的論點(diǎn)。盡管如此，這些論點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)邏輯上的漏洞，例如未能解決一些重要的情況(如離散對(duì)稱(chēng))。Ooguri說(shuō)：我們的新論文在AdS/CFT通信的背景下為這一說(shuō)法提供了一個(gè)嚴(yán)格證明。在AdS/CFT通信中，量子引力以數(shù)學(xué)上精確的方式定義，我們已經(jīng)用最普遍的方式定義了量子引力，排除了量子引力中所有可能的全息對(duì)稱(chēng)性。

提出的證明基于兩個(gè)重要思想：量子引力的全息原理和量子糾錯(cuò)碼。全息原理最初是由杰拉德·t·霍夫特和倫納德·蘇斯金德在90年代初提出，但后來(lái)被廣泛應(yīng)用。其中最重要的進(jìn)展之一是胡安?馬爾達(dá)塞納(Juan Maldacena)發(fā)現(xiàn)的AdS/CFT通信。Ooguri和Harlow希望證明量子引力的數(shù)學(xué)定理，因此他們需要對(duì)全息原理的精確定義。決定采用AdS/CFT的通信方式，因?yàn)檫@是他們覺(jué)得能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的唯一途徑，基本工具是量子誤差校正、AdS/CFT通信和量子場(chǎng)論。

也許這里要傳達(dá)的最重要的一點(diǎn)是，盡管AdS/CFT是一個(gè)美麗的量子引力理論，但它并不是我們這個(gè)世界的量子引力理論。這是一個(gè)物理學(xué)家喜歡研究的玩具模型(比如著名的球形牛)。然而，研究人員相信，只要我們小心謹(jǐn)慎，能從這個(gè)玩具模型中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。幾年前，另一個(gè)包括哈洛在內(nèi)的研究小組表明，全息術(shù)在量子引力中起作用的方式與量子計(jì)算中量子誤差修正方式類(lèi)似。在AdS/CFT通信中，反德西特空間中的時(shí)空幾何是從保角場(chǎng)理論中的量子糾纏中產(chǎn)生。

研究人員證明，從CFT的角度來(lái)看，涌現(xiàn)的幾何數(shù)據(jù)實(shí)際上是量子糾錯(cuò)碼。在新研究中，要證明這一定理，必須從先前的研究中得到啟示。在新研究中，Ooguri和Harlow發(fā)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的工作方式與任何對(duì)稱(chēng)性都不相容。因此，一旦量子力學(xué)和重力融合，就沒(méi)有對(duì)稱(chēng)是精確的。人們普遍認(rèn)為對(duì)稱(chēng)性是自然界的一個(gè)基本概念，許多物理學(xué)家認(rèn)為，自然界一定存在一套美麗的定律，而量化美麗的一種方法就是通過(guò)對(duì)稱(chēng)性。一些對(duì)稱(chēng)性可能隱藏在我們的世界中(或者用物理學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)是“自發(fā)破壞”)。

但如果我們從更基本的層面觀察自然，它們可能會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。研究人員證明了上述觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，在最基本的層面上，量子力學(xué)和引力是統(tǒng)一的，自然法則沒(méi)有全局對(duì)稱(chēng)性。由Ooguri和Harlow進(jìn)行的這項(xiàng)研究為物理學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了關(guān)鍵洞見(jiàn)，排除了在廣泛的量子引力理論中存在全息對(duì)稱(chēng)性的可能性。其發(fā)現(xiàn)對(duì)許多領(lǐng)域的研究都有意義，例如預(yù)測(cè)質(zhì)子的不穩(wěn)定性。研究結(jié)果預(yù)測(cè)，質(zhì)子不應(yīng)該是穩(wěn)定的。這并不明顯，但它也預(yù)測(cè)了磁單極子的存在：攜帶磁荷的孤立物體。到目前為止，我們從未見(jiàn)過(guò)這樣的物體，但人們?nèi)栽趯ふ宜鼈儭?/p>

不幸的是，研究結(jié)果還不足以說(shuō)明應(yīng)該存在多少個(gè)單極子，它們應(yīng)該在哪里，或者我們要等多久才能看到質(zhì)子衰變。在未來(lái)的研究工作中，Harlow和Ooguri想量化對(duì)稱(chēng)性是如何被打破的。到目前為止，只是證明了量子引力不可能有任何對(duì)稱(chēng)性，除非闡明它是如何被分離的。例如，他們的發(fā)現(xiàn)表明質(zhì)子應(yīng)該衰變，但是他們并沒(méi)有闡明它是如何衰變，或者在衰變之前它能存在多久，這些都是非常重要的問(wèn)題，研究人員希望在未來(lái)的研究中解決。

Ooguri說(shuō)：我是東京大學(xué)宇宙物理和數(shù)學(xué)Kavli研究所的所長(zhǎng)，該研究所參與了將在日本中部山區(qū)Kamioka鋅礦建立的hyhykiokande項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目的目的之一是看看質(zhì)子是否會(huì)衰變，為了做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，研究人員將在礦井中建造一個(gè)大型水箱。根據(jù)研究的定理，質(zhì)子應(yīng)該衰變。但是，我們不能告訴實(shí)驗(yàn)人員水箱的大小，使他們能夠在合理的時(shí)間內(nèi)看到質(zhì)子衰變。這就是為什么量化對(duì)稱(chēng)性如何被破壞是至關(guān)重要的一個(gè)例子。

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參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.191601

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