尋找“時空原子”

馬丁·波瓦德

宇宙可能起源于由奇特的量子引力效應(yīng)所驅(qū)動的大反彈——這表示大爆炸不再是宇宙萬物的起點了。

愛因斯坦的廣義相對論說，宇宙源自奇點大爆炸。但這理論并不具備完善的時空量子結(jié)構(gòu)，因此，我們無從得知物質(zhì)緊密匯聚的極限與引力強度的范圍。物理學(xué)家需要一套新的量子引力理論，才能明了究竟發(fā)生了什么事情。

根據(jù)“圈量子引力理論”，空間可被細分為許多具有體積的“原子”單位。由于它們僅有有限的容量可儲存物質(zhì)與能量，因此奇點是無法真正存在的。

若果真如此，宇宙產(chǎn)生的時間就有可能推到大爆炸之前。大爆炸前的宇宙或許曾非常劇烈地收縮成具有極大密度的一點，然后反轉(zhuǎn)整個過程。簡單地說，就是由大崩塌導(dǎo)致大反彈，最后才變成大爆炸。

由于原子的概念在現(xiàn)代已經(jīng)是老生常談，我們很難想象它曾經(jīng)是個多么荒誕不經(jīng)的想法。幾個世紀(jì)前，當(dāng)科學(xué)家第一次假設(shè)原子存在時，他們絕望地認為這么小的東西絕不可能觀測得到，甚至有許多人質(zhì)疑原子這樣的概念是否合乎科學(xué)。不過，原子存在的證據(jù)逐漸累積，終于在1905年因為愛因斯坦分析了液體中微塵顆粒隨機跳動的布朗運動，達到了高峰。即便如此，物理學(xué)家仍然花了20年才提出解釋原子的理論， 也就是量子力學(xué)。又過了30年之后，物理學(xué)家米勒才第一次用顯微鏡觀察到原子的身影。今天，物理學(xué)各領(lǐng)域的發(fā)展，幾乎都以物質(zhì)原子的特殊性質(zhì)為基礎(chǔ)。

物理學(xué)家對時間與空間組成的理解亦經(jīng)過了類似的過程，但還未達到成熟的階段。正如從物質(zhì)的行為可看出它們是由原子構(gòu)成的一樣，空間與時間的行為也暗示了它們具有某些細微的結(jié)構(gòu)——可能是由類似 “時空原子”組成的馬賽克構(gòu)造，或是某種網(wǎng)狀系統(tǒng)。物質(zhì)原子是化合物不可分割的最小單位；同理，想象中的“時空原子”是時空不可分割的最小單位，一般認為它們的直徑只有大約10-35米，小到連當(dāng)今可探測到10-18米的距離的最強大的儀器都無法看到。所以，許多科學(xué)家甚至質(zhì)疑這種“時空原子” 的概念是否合乎科學(xué)原理，不過， 也有許多科學(xué)家不受影響，相繼提出間接觀測“時空原子”的方法。

看似最有希望的方式，與宇宙的觀測有關(guān)。如果能倒轉(zhuǎn)宇宙的時間，我們所見的星系會全都匯聚到一個無限小的點：大爆炸奇點。愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言，宇宙在該點上具有無窮大的密度與溫度，一般認為，這是宇宙的起點，物質(zhì)、空間與時間從此誕生。不過，這種詮釋有些過頭了，因為無限大的數(shù)值表示廣義相對論本身在此失效。為了理解大爆炸時究竟發(fā)生了什么，物理學(xué)家必須發(fā)展出一套超越相對論的、能夠捕捉到時空細微結(jié)構(gòu)的量子引力論，以攻克廣義相對論完全無能為力的問題。

該結(jié)構(gòu)的細節(jié)產(chǎn)生于太初宇宙的致密環(huán)境中，從現(xiàn)今物質(zhì)與輻射的分布上或許能看出一些蛛絲馬跡。簡單地說，假如“時空原子”確實存在，我們將不會像物質(zhì)原子一樣得花上好幾百年才找到證據(jù)?？奎c運氣，我們或許就能在未來10年內(nèi)知道此事的大致輪廓。

物理學(xué)家已經(jīng)設(shè)計出一些量子引力的可能理論，每個理論都將量子原理以不同的方式應(yīng)用在廣義相對論上。我的工作鎖定在“圈量子引力理論”，那是在20世紀(jì)90年代經(jīng)過兩個步驟發(fā)展出來的理論。首先，理論物理學(xué)家以數(shù)學(xué)方法重新將廣義相對論公式化，讓它看起來很像古典的電磁理論；這一理論就是因為模擬于電場和磁力線而得名的。其次，依循某些與扭結(jié)數(shù)學(xué)相同的創(chuàng)新程序，將量子原理應(yīng)用到環(huán)圈上，以此導(dǎo)出的量子引力理論，預(yù)測了“時空原子”的存在。

其他的理論，像弦理論與所謂的“因果動力三角形”等，并沒有預(yù)言“時空原子”，但認為有其他的方式可讓極短的距離成為不可分割的物理量。這些理論間的差異已引起了許多爭論，但對我而言，它們之間的矛盾并沒有大到不可調(diào)和的地步。舉例來說，若想統(tǒng)一在微弱引力狀況下粒子間的交互作用，弦理論是非常有用的理論，但若想分析在引力場強大的奇點上究竟發(fā)生了什么事情，“圈量子引力”的原子建構(gòu)則更為有效。

圈量子引力理論

“圈量子引力理論”是由阿貝·阿希提卡、李·施莫林、卡洛·洛華利等人發(fā)展出來的量子引力理論，與弦理論一起成為目前將引力論量子化最成功的理論。

物理學(xué)家阿貝·阿希提卡稱：“盡管愛因斯坦廣義相對論在解釋宇宙方面表現(xiàn)出眾，甚至可以描述到宇宙的起源，但是在接近宇宙大爆炸時，物質(zhì)密度變得極大，相對論就不再適用了。要解釋大爆炸之前的宇宙，我們就得應(yīng)用量子理論，而在愛因斯坦時代，這種理論還沒有出現(xiàn)?！?/p>

阿希提卡和他的兩位博士后研究員托馬斯·保羅斯基和帕姆普里特·辛格，正試圖用量子理論解釋大爆炸前的宇宙形態(tài)。他們利用“圈量子引力理論”建立了數(shù)學(xué)模型，可以直接描述宇宙大爆炸，甚至解釋爆炸前的情景。另一方面，阿希提卡說，在大爆炸之前存在著另一個時空幾何的宇宙，與現(xiàn)在的宇宙十分相似，只是它不是在膨脹，而是隨著時間的推移逐步縮小。他還說，其實宇宙的變遷并非傳統(tǒng)意義上的大爆炸，而是一次量子跳躍。

“圈量子引力理論”被認為是將廣義相對論和量子物理學(xué)相統(tǒng)一的最有效手段?！斑@種理論假定時空幾何本身有離散的‘原子’結(jié)構(gòu)，”阿希提卡解釋道，“與我們熟悉的時空連續(xù)性不同，‘圈量子引力理論’認為空間是由一維量子構(gòu)成，在接近大爆炸時，這種構(gòu)造被劇烈地打破，量子自身的屬性使得物質(zhì)引力相互排斥，而非相互吸引。

“盡管早些時候就已經(jīng)有大爆炸前存在另一個宇宙的設(shè)想，但是用數(shù)學(xué)模型來系統(tǒng)描述‘前宇宙’的存在并推斷它的時空幾何還數(shù)首次?！卑⑾Ｌ峥ㄕf，“我們起初的工作是模擬出一個與當(dāng)今宇宙同質(zhì)的宇宙。我們對‘圈量子引力理論’充滿信心，我們將繼續(xù)完善這個模型，以便更好地描述我們已知的這個‘前宇宙’，并且更好地理解量子引力的特點?！?/p>

“圈量子引力理論”到底能告訴我們多少有關(guān)“前宇宙”的事情？答案是不多。如果理論推理正確，唯一能肯定的就是反彈的確發(fā)生過。不過，這并不意味著我們無法了解更多有關(guān)早期宇宙的知識。天文學(xué)家已經(jīng)在宇宙背景中發(fā)現(xiàn)了一些模式，這些模式很顯然是在大爆炸發(fā)生的同時產(chǎn)生的電子大小的不規(guī)則殘留物，而那里很可能隱藏著某些暗示。