这个爱因斯坦挖的天坑,大概也许可能有望填上了

本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),作者:黄一成,头图来自pixabay

在一些量子引力理论(注:是描述对重力场进行量子化的理论)中,时间是默认存在的。

在过去几十年里,一个物理学分支领域假设了一种被称为“自旋网络”(注:量子力学中,自旋网络是一种图表,用以表示粒子与量子场之间的相互作用与状态)的代数实体。该领域认为,作为空间和时间构成物的自旋网络凝聚并产生了宇宙。这种凝聚导致了我们称之为“宇宙大爆炸”的事件,也成就了这一领域的名称:凝聚宇宙学

宇宙大爆炸的抽象概念图

这一说法听起来可能很奇怪,但我们知道,宇宙运转的方式确实是很奇怪的。

这一领域的全称为“群场理论(GFT)凝聚宇宙学”,是量子引力理论的一个分支物理学领域,旨在解释包括从光、物质到空间、时间的一切事物的构成。这是一个完全基于理论计算、未经验证的想法。要理解凝聚宇宙学,需要大量的抽象推理。

尽管如此,量子引力理论还是引起了物理学顶尖头脑的极大关注。

为什么选择量子引力?

量子引力理论的提出是为了解决物理学中最大的难题之一:如何统一20世纪两大理论——广义相对论和量子力学。

广义相对论视角中重力现象的产生

前者提供了一个从空间和时间的角度来理解世界的框架,它描述了宏观宇宙的运行逻辑。广义相对论引入了一种观念,即时间是相对的,重力是由于弯曲的时空而存在的。正如爱因斯坦(Albert Einstein)提出的,一个球从空中落到地面,不是因为像牛顿(Isaac Newton)说的被地球质量吸引,而是因为存在一个遍布宇宙的时空场,该时空场在大型物体周围会弯曲。

量子力学是对微观世界的描述

量子力学是一个神秘但极其准确的理论,它描述了微观世界。它告诉我们,粒子和场都存在于离散单位中,由于不确定性,只能用概率来描述。该理论还描述了“纠缠”这种令人困惑的现象,即物理状态可以相互交织,以至于失去独立、个体的特性,并开始遵守适用于集体的规则。

据我们所知,这两种理论都是正确的,而且是相互冲突的。它们同时存在会产生一个悖论,也就是说从某种意义上讲,物理学是混乱的。虽然量子力学以离散、颗粒的方式看待现实,但相对论告诉我们,时空和重力是连续的、非离散的。

处理矛盾问题的方法之一是优先考虑其中一种理论。既然世界是量子的,那广义相对论必然要跟量子理论对时空的描述相近似。两种理论的统一,代表着重力是离散的。

1919年的爱因斯坦,当时的日食验证了广义相对论

循环量子引力理论的发展

在过去几十年里,量子引力理论的一个分支,循环量子引力(LQG)理论,在解释重力离散方面显示出了一些潜力。LQG从爱因斯坦的场方程开始,重点研究隐藏在时空之下的事物。它通过数学产生了无数的离散几何物体,包括环、晶体和多边形,排列在自旋网络和自旋泡沫(注:一种拓朴结构,由二维面组成,代表了一类必须加总的组态,以得到量子引力的费曼路径积分描述)的各种结构中。它们可以共同描述现实本身的结构——LQG的这些几何物体并不存在于空间和时间中,而是构成了空间和时间,因此也构成了重力本身。

自旋网络中的一种拓扑结构

尽管LQG理论是近年来才突然兴起,但该设想有着悠久的历史。广义相对论和量子力学之间的二分法在一战和二战期间变得突出,也催生了量子引力理论的发展,即采用广义相对论并使用不同的方法来量化解释。但在20世纪70年代和80年代,当物理学家开始从半经典物理学中学习新事物时,解释问题的方法发生了变化。

当时,关于黑洞的理解侧重于利用量子力学来描述黑洞周围的物质场。这表明,可能需要另一种更激进的量子引力理论,在微观层面上理解时空本质,而不是简单地对广义相对论进行量化

这些从黑洞中衍生的观点表明,不论是经典理论还是量子理论,引力场并不是最基础的,它可能是更基础的东西表现出来的,这种东西根本不像场,所以不能用标准的时空方式来描述。

量子引力的新方法,如LQG理论由此出现。在20世纪90年代到21世纪,越来越多的理论物理学家开始支持LQG理论。根据这个理论,空间和时间的基本实体不是引力场,LQG称这些基本实体为自旋网络。

LQG也许会取代弦理论

LQG的核心与弦理论是相冲突的,弦理论是聚焦于粒子的理论框架,其目的也是统一广义相对论和量子力学。在弦理论中,时空通常是默认存在的,而从LQG的角度来看,空间和时间必须通过量子引力进行解释,而不是一个默认存在的条件。

弦理论认为时空是默认存在的

弦理论有许多优点。理论物理学中多数都是假定时空初始存在,并非只有弦理论。这样做的理由是:没有时空框架,很难对现实世界开展任何解读。此问题实际上会给LQG带来麻烦,这是由于和LQG相关的方法,如群场理论并不假设时空默认存在,因此它很难将基本理论与任何物理学主流理论联系起来。

这并不是说,弦理论家否认“时空可能并不是最基础”的说法。两种学说在很多要点上意见一致,但弦理论家经常对LQG中所做的工作给出负面反应,因为他们认为没有时空,甚至不能说你在研究重力。两种学说都认为自己的方式是正确的。

这两种学说并非不能兼容,应该有一种方法可以连接两种学说,只是我们还没有发现。

GFT冷凝宇宙学

量子引力领域现在需要更激进的思想来推动,需要新理论将LQG的学说放大到整个宇宙的层面,因为LQG是微观尺度上发展起来的。在过去的十几年里,群场理论(GFT)凝聚宇宙学方向的研究逐渐兴起,该理论提出,我们的宇宙是通过一种流体动力学凝结过程而发生的

人们可以认为,在GFT凝聚宇宙学中,这个过程类似于蒸汽,蒸汽是构成所有空间的实体(我们称之为空间原子)的一个阶段,蒸汽可以凝聚成水,类似于空间原子凝聚为我们所感受到的时空。

根据这个版本的LQG理论,一旦这种转换发生——例如,在宇宙的开端——我们熟悉的空间和时间的构造就诞生了。但需要注意的是,我们虽然使用了“转换”和“开端”这样隐含着时间概念的词汇,我们也应该记住,这里是没有“时间”的。

时间和空间也许并非是初始存在的

群场理论的许多工作都涉及到通过统计热力学方式思考经典的引力系统。以热力学方式思考重力,有两个原因。首先,经典黑洞力学定律已经暗示了重力和热力学之间的关系,这表明我们更普遍地可以将时空视为热力学系统。这就是我们所说的重力热力学。其次,我们知道宏观热力学系统具有潜在的量子微观结构,因此对于热力学时空,自然要做的是研究其基本量子重力实体的统计力学。

对GFT凝聚宇宙学进行流体动力学描述所需的数学变量需要统计学和热力学的支撑。例如,流体在一个部分可能比另一部分更冷、更稠密;为了描述这些系统在演变时的动态,首先必须能够定义这些差异,这就是统计力学和热力学的用武之地。

有没有想过,时间和空间可能并非“想当然”地存在?

研究表明,GFT描述的自旋网络可以使用与宇宙波函数具有相同特征的数学函数进行特征描述。在量子宇宙学中,这种波函数给出了宇宙具有特定形状或几何体的概率。因此从这个角度来看,冷凝似乎是在解释大尺度宇宙的本质。

目前我们还不知道目前LQG或GFT理论是否会在漫长的宇宙探索的道路上取得真正的成功,从而产生一个可行的、可测试和验证的理论。但有一件事是肯定的:寻求基本真理是有好处的,即使它超出了我们目前的空间和时间概念

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