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探索:物理世界最深层 量子时空

在人类探究大自然的最前线,现代物理两大支柱正在对决,关乎宇宙一切何来的终极问题。

过去四年间,物理学家相继找到一直预言的「上帝粒子」和重力波。至此,由量子学说和相对论组成的基础物理「核心理论(Core Theory)」已通过实证的严格考验。「我们可以肯定,量子埸论是描述主宰日常生活的物理定律的正确论述框架,因而和人类存活悠关的粒子、力和交互作用都是量子场论推演所得。这一切我们已经全部发现。」 Sean Carroll在《The Big Picture》中的宣言并没有夸大,因为我们只在物理世界(reality)的表象中存活,不用触及「时间和空间何来」的悬案。

本来,时空就是宇宙最大的容器,一切存于其中,牛顿视为众所周知。即使爱因斯坦的相对论发现时空和物质互相扭曲,体现局部地区的重力,亦无须深究时空何来。要到半世纪前,在宇宙一切起始的大爆炸和吞噬一切的黑洞,因为量子和相对论出现不可化解的矛盾,物理学家才不能不正视时间和空间的终极问题。

在核心理论的基础深层,一切都由量子场(field)的震荡生成。在这里,各种物质和相互作用已被纳入统一的量子学说,唯独是重力。光子由电磁场震荡产生,在时空中运动;可是重力就是时空,重力场震荡生成的「重力子」如何在本身当中运动?要完成「大一统」,将重力纳入量子学说,时空这「容器」本身亦是所载之物,科学家不能再视为先验地存在,必须以「抽着鞋带自行升空(bootstrapping)」的勇气,直面不可知的深渊。

科普迷都熟悉的弦论,就是以大一统为目标的「万有理论(theory of everything)」。可惜,弦论经过最优秀的物理学家奋战数十年,仍没有可供实证的成果。不少人认为,卅年来专注于时空量子化的Abhay Ashtekar、Carlo Rovelli以及Lee Smolin等人所创的回圈量子重力论(Loop Quantum Gravity , LQG)虽无大一统的野心,可能更有成效。

LQG先行者之一的Rovelli继其畅销小书《Seven Brief Lessons on Physics》后,刚出版新书《Reality Is Not What It Seems: The Journey to Quantum Gravity》。教授不讳言,科学家未知的,远比所知的多,但尚在求学阶段的LQG最少有望参加考试。当然,读者不会有兴趣明白理论细节,但比起建基于十多个维度以上的弦论,LQG很容易理解。只要有耐性,不难追随作者生动的比喻,穿越表象世界,到物理最前线遥望彼岸。

最难打破的是与生俱来的宏观世界图象,如时空的连续性。按量子力学的测不准原理,要准确地为空间定位,必须安置高速物质于其中,来自其总能量的重力将同时扭曲这空间。定位越准确,空间越弯曲,终会形成连同时空一同吞噬的黑洞,断破其连续性。因此,受制于量子力学和相对论,空间在极小的尺度必然显现出颗粒性,犹如不断放大数码电影,像素方块终会显现。

时空不但不可能连续,甚至必须消失于基础深层。Rovelli以关系取代空间,关系的变化取代时间。在LQG的语言,空间是一个自旋(spin)网路,其节点与连结代表颗粒及之间的关系;自旋网路演变成为自旋泡沬(spin foam),形成有颗粒性的时间和空间。就这样,时空由重力量子的互动和变化生成,容许重力和其它作用力一样,在统一的数学框架下开展量子化,在无须时空先验存在的基础重构宏观世界。

原本只是舞台背景的时空,在量子重力一幕粉墨登「场」之后,更真实地存在。

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