寻找“时空原子”

马丁·波瓦德

宇宙可能起源于由奇特的量子引力效应所驱动的大反弹——这表示大爆炸不再是宇宙万物的起点了。

爱因斯坦的广义相对论说，宇宙源自奇点大爆炸。但这理论并不具备完善的时空量子结构，因此，我们无从得知物质紧密汇聚的极限与引力强度的范围。物理学家需要一套新的量子引力理论，才能明了究竟发生了什么事情。

根据“圈量子引力理论”，空间可被细分为许多具有体积的“原子”单位。由于它们仅有有限的容量可储存物质与能量，因此奇点是无法真正存在的。

若果真如此，宇宙产生的时间就有可能推到大爆炸之前。大爆炸前的宇宙或许曾非常剧烈地收缩成具有极大密度的一点，然后反转整个过程。简单地说，就是由大崩塌导致大反弹，最后才变成大爆炸。

由于原子的概念在现代已经是老生常谈，我们很难想象它曾经是个多么荒诞不经的想法。几个世纪前，当科学家第一次假设原子存在时，他们绝望地认为这么小的东西绝不可能观测得到，甚至有许多人质疑原子这样的概念是否合乎科学。不过，原子存在的证据逐渐累积，终于在1905年因为爱因斯坦分析了液体中微尘颗粒随机跳动的布朗运动，达到了高峰。即便如此，物理学家仍然花了20年才提出解释原子的理论， 也就是量子力学。又过了30年之后，物理学家米勒才第一次用显微镜观察到原子的身影。今天，物理学各领域的发展，几乎都以物质原子的特殊性质为基础。

物理学家对时间与空间组成的理解亦经过了类似的过程，但还未达到成熟的阶段。正如从物质的行为可看出它们是由原子构成的一样，空间与时间的行为也暗示了它们具有某些细微的结构——可能是由类似 “时空原子”组成的马赛克构造，或是某种网状系统。物质原子是化合物不可分割的最小单位；同理，想象中的“时空原子”是时空不可分割的最小单位，一般认为它们的直径只有大约10-35米，小到连当今可探测到10-18米的距离的最强大的仪器都无法看到。所以，许多科学家甚至质疑这种“时空原子” 的概念是否合乎科学原理，不过， 也有许多科学家不受影响，相继提出间接观测“时空原子”的方法。

看似最有希望的方式，与宇宙的观测有关。如果能倒转宇宙的时间，我们所见的星系会全都汇聚到一个无限小的点：大爆炸奇点。爱因斯坦的广义相对论预言，宇宙在该点上具有无穷大的密度与温度，一般认为，这是宇宙的起点，物质、空间与时间从此诞生。不过，这种诠释有些过头了，因为无限大的数值表示广义相对论本身在此失效。为了理解大爆炸时究竟发生了什么，物理学家必须发展出一套超越相对论的、能够捕捉到时空细微结构的量子引力论，以攻克广义相对论完全无能为力的问题。

该结构的细节产生于太初宇宙的致密环境中，从现今物质与辐射的分布上或许能看出一些蛛丝马迹。简单地说，假如“时空原子”确实存在，我们将不会像物质原子一样得花上好几百年才找到证据。靠点运气，我们或许就能在未来10年内知道此事的大致轮廓。

物理学家已经设计出一些量子引力的可能理论，每个理论都将量子原理以不同的方式应用在广义相对论上。我的工作锁定在“圈量子引力理论”，那是在20世纪90年代经过两个步骤发展出来的理论。首先，理论物理学家以数学方法重新将广义相对论公式化，让它看起来很像古典的电磁理论；这一理论就是因为模拟于电场和磁力线而得名的。其次，依循某些与扭结数学相同的创新程序，将量子原理应用到环圈上，以此导出的量子引力理论，预测了“时空原子”的存在。

其他的理论，像弦理论与所谓的“因果动力三角形”等，并没有预言“时空原子”，但认为有其他的方式可让极短的距离成为不可分割的物理量。这些理论间的差异已引起了许多争论，但对我而言，它们之间的矛盾并没有大到不可调和的地步。举例来说，若想统一在微弱引力状况下粒子间的交互作用，弦理论是非常有用的理论，但若想分析在引力场强大的奇点上究竟发生了什么事情，“圈量子引力”的原子建构则更为有效。

圈量子引力理论

“圈量子引力理论”是由阿贝·阿希提卡、李·施莫林、卡洛·洛华利等人发展出来的量子引力理论，与弦理论一起成为目前将引力论量子化最成功的理论。

物理学家阿贝·阿希提卡称：“尽管爱因斯坦广义相对论在解释宇宙方面表现出众，甚至可以描述到宇宙的起源，但是在接近宇宙大爆炸时，物质密度变得极大，相对论就不再适用了。要解释大爆炸之前的宇宙，我们就得应用量子理论，而在爱因斯坦时代，这种理论还没有出现。”

阿希提卡和他的两位博士后研究员托马斯·保罗斯基和帕姆普里特·辛格，正试图用量子理论解释大爆炸前的宇宙形态。他们利用“圈量子引力理论”建立了数学模型，可以直接描述宇宙大爆炸，甚至解释爆炸前的情景。另一方面，阿希提卡说，在大爆炸之前存在着另一个时空几何的宇宙，与现在的宇宙十分相似，只是它不是在膨胀，而是随着时间的推移逐步缩小。他还说，其实宇宙的变迁并非传统意义上的大爆炸，而是一次量子跳跃。

“圈量子引力理论”被认为是将广义相对论和量子物理学相统一的最有效手段。“这种理论假定时空几何本身有离散的‘原子’结构，”阿希提卡解释道，“与我们熟悉的时空连续性不同，‘圈量子引力理论’认为空间是由一维量子构成，在接近大爆炸时，这种构造被剧烈地打破，量子自身的属性使得物质引力相互排斥，而非相互吸引。

“尽管早些时候就已经有大爆炸前存在另一个宇宙的设想，但是用数学模型来系统描述‘前宇宙’的存在并推断它的时空几何还数首次。”阿希提卡说，“我们起初的工作是模拟出一个与当今宇宙同质的宇宙。我们对‘圈量子引力理论’充满信心，我们将继续完善这个模型，以便更好地描述我们已知的这个‘前宇宙’，并且更好地理解量子引力的特点。”

“圈量子引力理论”到底能告诉我们多少有关“前宇宙”的事情？答案是不多。如果理论推理正确，唯一能肯定的就是反弹的确发生过。不过，这并不意味着我们无法了解更多有关早期宇宙的知识。天文学家已经在宇宙背景中发现了一些模式，这些模式很显然是在大爆炸发生的同时产生的电子大小的不规则残留物，而那里很可能隐藏着某些暗示。