時空不是連續(xù)的？顛覆的理論能否統(tǒng)一兩大物理學(xué)基石

來源：新浪科技綜合 發(fā)布時間：1970-01-01瀏覽：2349次

時空不是連續(xù)的？顛覆的理論能否統(tǒng)一兩大物理學(xué)基石

　　近幾十年來，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家一直在思考，空間是否由離散的塊組成的。假如我們能在足夠小的尺度上進行探測，那么會看到空間的“原子”嗎？這里 的“原子”即指空間存在無法被進一步分解的單元。同樣，對于時間：自然是連續(xù)變化的嗎？或者說世界是否像計算機那樣，通過一系列極小的步驟運轉(zhuǎn)？

　　過去的幾十年見證了科學(xué)家在這些問題上的巨大進步。一個擁有圈量子引力這樣奇怪名字的理論預(yù)言了空間和時間的確是由離散的塊組成。在該理論框架 下，科學(xué)家的計算揭示出一幅簡單漂亮的圖像。這一理論也加深了我們對與黑洞、宇宙大爆炸相關(guān)的那些令人困惑的現(xiàn)象的理解。最重要的是，當前的實驗很可能會 在不遠的將來探測到來自時空原子結(jié)構(gòu)的信號——當然，前提是這些結(jié)構(gòu)真的存在。

　　量子和引力理論

　　量子力學(xué)理論在20世紀的前25年被論證，這一發(fā)展過程與確認物質(zhì)由原子組成緊密相關(guān)。量子力學(xué)方程所需要的某些量，如原子的能量，只能來自于特定的離散單元。量子理論成功預(yù)言了原子的屬性和行為，以及組成它們的基本粒子和力。

　　在量子理論得到論證的同時，愛因斯坦構(gòu)建了關(guān)于引力的理論——廣義相對論。在他的理論中，引力作為時間和空間（一起構(gòu)成“時空）因物質(zhì)的存在而 被彎曲的結(jié)果出現(xiàn)。任何物質(zhì)塊或能量的集中都會扭曲時空的幾何結(jié)構(gòu)，引起其他粒子或光線向集中的物質(zhì)或能量偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象我們稱為引力。

　　量子理論和愛因斯坦的廣義相對論已經(jīng)分別被實驗完美證實，但實驗尚沒有探索到這兩者都起重要作用的情形。問題就在于，量子效應(yīng)在小尺度上是非常顯著的，而廣義相對論的影響需要巨大的質(zhì)量才能顯現(xiàn)出來，所以要合并這兩種條件需要特別的環(huán)境。

　　和實驗數(shù)據(jù)的缺口相伴的，還有一個重大的概念問題：愛因斯坦的廣義相對論完全是古典式的理論，而非量子的理論。物理學(xué)作為一個整體必然是邏輯自 洽的，所以肯定存在能以某種方式統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對論的理論。科學(xué)家所追求的這種理論可稱為量子引力理論。由于廣義相對論處理的是時空的幾何結(jié)構(gòu)，引 力的量子理論也即是時空的量子理論。

　　物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)展出相當多可以把經(jīng)典理論轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔永碚摰臄?shù)學(xué)程序。眾多理論物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家致力于將那些標準方法應(yīng)用在廣義相對論上，但早期 的研究結(jié)果是令人沮喪的。科學(xué)家嘗試了許多不同的方法，如扭量理論（twistor theory）、超引力（supergravity）和弦論（string theory）。然而，在多年的研究后，所有這些理論做出的預(yù)言仍無法被實驗所證實。因此，許多物理學(xué)家開始重新考慮量子理論和廣義相對論最終是否真的可 以相容。

　　一個巨大的漏洞

　　20世紀80年代中期，我們幾個人，包括阿貝·阿西提卡（Abhay Ashtekar）、泰德·賈寇柏森（Ted Jacobson）和卡洛·洛華利（Carlo Rovelli）決定，重新檢查量子力學(xué)和廣義相對論是否能用標準方法聯(lián)系在一起。我們知道，20世紀70年代的糟糕結(jié)果有一個重大漏洞。無論我們?nèi)绾巫? 細檢查，都會發(fā)現(xiàn)那些計算假定的幾何空間是連續(xù)和平滑的，正如原子發(fā)現(xiàn)之前人們所想象的物質(zhì)一樣。如果這種假設(shè)是錯誤的，那么以前的計算方式也是不可靠 的。

　　所以，我們開始尋找一種沒有假設(shè)空間連續(xù)和平滑的計算方式。我們對自己的假設(shè)做了限定，即不在廣義相對論和量子理論已被實驗驗證的原理之外做假設(shè)。尤其是，在我們的計算核心中保留了兩個關(guān)鍵的廣義相對論原理。

　　第一個原理叫做背景獨立（background independence）。這一原理表示，時空的幾何結(jié)構(gòu)不是固定的，而是一個不斷發(fā)展的動態(tài)量。為了找到這樣的幾何結(jié)構(gòu)，必須對某些包含了物質(zhì)和能量的所有影響的方程求解。

　　第二個原理則擁有令人印象深刻的名字——微分同胚不變性（diffeomorphism invariance），這一原理意味著，不像之前的廣義相對論，我們可以自由選擇任何坐標系去映射時空、表達方程。對時空中的一個點進行定義時，只根據(jù) 這個點上發(fā)生的物理過程來定義，而非根據(jù)由一些特殊坐標系所得到的位置 （沒有特殊的坐標系）。微分同胚不變性在廣義相對論中極其重要。

　　利用量子力學(xué)的標準方法，小心合并這兩個原理，我們開發(fā)出了一套能夠通過計算來確定空間是連續(xù)還是離散的數(shù)學(xué)語言。我們高興地看到，計算所顯示 的空間是量子化的。我們至此已經(jīng)奠定了圈量子引力理論的基礎(chǔ)。這里順便說一下，在理論計算中會涉及時空中的一些小圈， “圈量子引力”由此得名。

　　圈量子引力理論的一個核心預(yù)言與體積和面積有關(guān)。比如一個球殼，定義其邊界為B，這一空間區(qū)域有體積（a）。根據(jù)經(jīng)典（非量子的）物理，該體積 可以是任何正式數(shù)。圈量子引力理論認為，存在非零的絕對最小體積（約為普朗克長度的立方，或10-99立方厘米），并且預(yù)言更大區(qū)域的體積只能取一系列離 散的數(shù)。相似的，根據(jù)圈量子引力理論，存在非零的最小面積（約為普朗克長度的平方，或10-66立方厘米），更大的面積也只能取一系列離散的數(shù)。量子面積 和體積的離散值（b）與氫原子的量子能級大致相似（c）。

　　圈量子引力理論預(yù)言的空間像原子一樣：在體積測量實驗中可以得到一組離散的數(shù)據(jù)，即體積也是可區(qū)分的塊。另一個我們可以測得的量是區(qū)域B的表面積，理論計算再次返回一個明確的結(jié)果：表面積也是離散量。換句話說，空間是不連續(xù)的，只存在特定量子單位的面積和體積。

　　區(qū)域B的體積和面積的可能值所擁有的單位叫做普朗克長度。這個單位與引力的強度、量子的尺寸以及光速的大小有關(guān)，它所衡量的空間幾何結(jié)構(gòu)在尺度 上不再是連續(xù)的。普朗克長度很小：10-33厘米。因此，圈量子引力理論預(yù)言在每立方厘米空間中大約有1099個“體積原子”。這樣，每立方厘米所擁有的 體積量子數(shù)，甚至超過可見宇宙中立方厘米空間的數(shù)量（1085）。

　　自旋網(wǎng)絡(luò)

　　我們的理論還能告訴我們關(guān)于時空的什么信息呢？這些體積和面積的量子態(tài)看起來是什么樣子的？空間是由眾多立方體或小球組成的嗎？答案是否定的——事情沒這么簡單。不過，我們可以用圖示來表示空間和面積的量子態(tài)。

　　簡單起見，我們通常把圖示畫成二維的，但最好能夠想象它們填充了三維空間，因為這才是實際情況。每一幅圖示都從兩個方面來定義：圖示上各部分之間的連接方式，以及它們與完整定義的其他邊界的連接方式，如上文提到區(qū)域的B。

　　這些圖被稱為自旋網(wǎng)絡(luò)，因為圖上的數(shù)字與一種被稱為自旋的量相關(guān)。牛津大學(xué)的羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）在20世紀70年代首次提出，自旋網(wǎng)絡(luò)或許會在量子引力理論中發(fā)揮作用。我們在1994年發(fā)現(xiàn)，精確的計算能證實彭羅斯的直覺。

　　單獨的點和線表示極小的空間區(qū)域：一個點大約是一立方普朗克長度的體積，而一條線大約是一平方普朗克長度的面積。不過，在原則上，一個自旋網(wǎng)絡(luò) 的大小和復(fù)雜程度并沒有限制。如果你能詳細畫出關(guān)于宇宙的量子態(tài)的圖示，比如被星系、黑洞的引力所扭曲的空間結(jié)構(gòu)，以及其他任何特性，這樣的自旋網(wǎng)絡(luò)的復(fù) 雜程度將是無法想象的，其中的點，大概就有10184個。

　　這些自旋網(wǎng)絡(luò)描述了空間的幾何結(jié)構(gòu)。但空間中的物質(zhì)和能量又如何描述呢？我們該如何表示粒子和場所占據(jù)的位置和空間區(qū)域呢？對電子這樣的粒子， 可以對應(yīng)特定的點，只是需要在點上添加更多的標簽。而電磁場這樣的場，則可對應(yīng)著圖中的線，當然也需要額外添加的標簽。當空間中的場和粒子的移動時，可以 通過單獨移動某些標簽來表示。

　　預(yù)言和檢驗

　　雖然我已經(jīng)大致勾勒出，在普朗克尺度的空間和時間上，圈量子引力理論是什么樣子，但目前，我們還無法在這樣的尺度上驗證這個理論。這個尺度太小了。那么我們?nèi)绾螜z驗圈量子引力理論呢？在過去幾年里，一些富有想象力的年輕研究人員想出了現(xiàn)在可以做到的新方法。（見下圖）

　　對于這種情況，實際上存在兩種不同的可能性。第一個可能是，量子時空違反了基本的相對論原理（即速度和靜止是相對的概念）。這意味著，對于一個觀察者而言，時空原子似乎是靜止的，就像晶體中的原子一樣。

　　第二種可能是，相對論原理得到保留，但狹義相對論要以這樣一種方式修正：光子從光源到探測器傳播的時間取決于它們的能量。這種可能性被稱為雙重狹義相對論；最近，這種可能已經(jīng)包含在更深層次的概念中，即相對位置論。

　　目前正在進行的幾個實驗擁有足夠的靈敏度，可以弄清楚在量子時空中，狹義相對論究竟有著怎樣的表現(xiàn)。其中最重要的一個實驗項目是自2008年6 月開始在軌運行的費米伽馬射線天文臺（Fermi Gamma Ray Observatory），在所做過的觀測中，它將真實的物理規(guī)律對于狹義相對論的偏差限制在量子引力的尺度以下。其他關(guān)于星系偏振射電波和極高能宇宙線 的觀測，似乎證實了即使在量子幾何結(jié)構(gòu)尺度下，相對論原理也是有效的。未來幾年，費米伽馬射線天文臺的觀測可能排除或確認狹義相對論被量子時空修正這一可 能性。

　　圈量子引力能夠?qū)@些實驗做出預(yù)言嗎？簡短的回答是還不能。在20世紀90年代進行的多次計算中，物理學(xué)家多次發(fā)現(xiàn)與相對性原理相違背的情況， 但后來發(fā)現(xiàn)，這些計算是用了錯誤的自旋網(wǎng)絡(luò)演化規(guī)律。而現(xiàn)在，物理學(xué)家知道，正確的演化規(guī)律是沒有違反相對性原理的。但它們是否會導(dǎo)致狹義相對論定律被修 正？這仍在研究中。

　　圈量子引力之外

　　圈量子引力理論為我們研究最深奧的宇宙問題打開了一扇新窗戶。我們能夠使用該理論去研究大爆炸之后很早的時刻。廣義相對論預(yù)言存在時間的開端， 但這個結(jié)論忽略了量子物理（因為廣義相對論不是一個量子理論）。基于圈量子引力理論的極早期宇宙模型表明，大爆炸實際上是大反彈；在反彈之前宇宙是迅速坍 縮的。理論物理學(xué)家正在努力提出一些預(yù)言，可以在未來的宇宙學(xué)實驗中得到檢驗。在我們有生之年看到宇宙大爆炸之前的時間證據(jù)并非不可能。

　　圈量子引力理論的另一個可能的觀測信號是左和右的對稱破缺（即宇稱破缺），這有可能在宇宙背景輻射的偏振觀測中被探測出來。如果宇稱破缺效應(yīng)存 在，那么宇宙與鏡子中的自己看起來會是有區(qū)別的。正如英國帝國理工學(xué)院的喬奧·馬古悠（Joao Magueijo）及其同事所指出的那樣，這是圈量子引力理論的一個很自然的結(jié)果，這是可以被普朗克衛(wèi)星（Planck satellite）和其他衛(wèi)星觀測到的。

　　最近，關(guān)于圈量子引力理論的研究也解決了引力和自然界中其他力的統(tǒng)一問題。假如需要的話，甚至可以在該理論中整合進額外維度和超對稱。但與弦理論一樣，目前還沒有出現(xiàn)一個原則來限制圈量子引力理論的唯一性。

　　還有很多圈量子引力理論的未決問題有待回答。雖然現(xiàn)在有很好的證據(jù)能夠證明，廣義相對論在某些限制條件下可以成為圈量子引力理論的一個近似理論，但我們還得弄清楚，這種近似到底穩(wěn)不穩(wěn)固。我們還需要知道的是，相對論需要得到哪些修正，這樣才會有一些可觀測的效應(yīng)。

　　不過，我討論的一切都僅僅是理論上的東西。真實的空間有可能還是連續(xù)的，無論我們探測到多么小的尺度。因為這是科學(xué)，最終的實驗才將決定一切。好消息是，這個決定性時刻可能即將到來。