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  近几十年来,物理学家和数学家一向在思考,空间是否由离散的块构成的。倘若吾们能在有余幼的尺度上进走探测,那么会望到空间的“原子”吗?这边的“原子”即指空间存在无法被进一步分解的单元。同样,对于时间:自然是不息变化的吗?或者说世界是否像计算机那样,经历一系列极幼的步骤运转?

  第一个原理叫做背景自力(background independence)。这一原理外示,时空的几何组织不是固定的,而是一个不息发展的动态量。为了找到如许的几何组织,必须对某些包含了物质和能量的所有影响的方程求解。

  以前的几十年见证了科学家在这些题目上的庞大挺进。一个拥有圈量子引力如许奇迹名字的理论预言了空间和时间实在是由离散的块构成。在该理论框架下,科学家的计算展现出一幅浅易时兴的图像。这一理论也添深了吾们对与暗洞、宇宙大爆炸相关的那些令人疑心的形象的理解。最主要的是,现在的实验很能够会在不远的异日探测到来自时空原子组织的信号——当然,前挑是这些组织真的存在。

  圈量子引力理论的一个中间预言与体积和面积相关。比如一个球壳,定义其边界为B,这一空间区域有体积(a)。按照经典(非量子的)物理,该体积能够是任何正式数。圈量子引力理论认为,存在非零的绝对最幼体积(约为普朗克长度的立方,或10-99立方厘米),并且预言更大区域的体积只能取一系列离散的数。相通的,按照圈量子引力理论,存在非零的最幼面积(约为普朗克长度的平方,或10-66立方厘米),更大的面积也只能取一系列离散的数。量子面积和体积的离散值(b)与氢原子的量子能级大致相通(c)。

  这些图被称为自旋网络,由于图上的数字与一栽被称为自旋的量相关。牛津大学的罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)在20世纪70年代首次挑出,自旋网络也许会在量子引力理论中发挥作用。吾们在1994年发现,准确的计算能证实彭罗斯的直觉。

  和实验数据的缺口相伴的,还有一个庞大的概念题目:喜欢因斯坦的广义相对论十足是古典式的理论,而非量子的理论。物理学行为一个团体一定是逻辑自洽的,以是一定存在能以某栽手段同一量子力学和广义相对论的理论。科学家所探求的这栽理论可称为量子引力理论。由于广义相对论处理的是时空的几何组织,引力的量子理论也即是时空的量子理论。

  圈量子引力理论的另一个能够的不益看测信号是左和右的对称破缺(即宇称破缺),这有能够在宇宙背景辐射的偏振不益看测中被探测出来。倘若宇称破缺效答存在,那么宇宙与镜子中的本身望首来会是有区别的。正如英国帝国理工学院的乔奥·马古悠(Joao Magueijo)及其同事所指出的那样,这是圈量子引力理论的一个很自然的终局,这是能够被普朗克卫星(Planck satellite)和其他卫星不益看测到的。

  在量子理论得到论证的同时,喜欢因斯坦构建了关于引力的理论——广义相对论。在他的理论中,引力行为时间和空间(一首构成“时空)因物质的存在而被曲曲的终局展现。任何物质块或能量的荟萃都会扭曲时空的几何组织,引首其他粒子或光线向荟萃的物质或能量偏转,这栽形象吾们称为引力。

  圈量子引力之外

  近来,关于圈量子引力理论的钻研也解决了引力和自然界中其他力的同一题目。倘若必要的话,甚至能够在该理论中整相符进额外维度和超对称。但与弦理论相通,现在还异国展现一个原则来节制圈量子引力理论的唯一性。

  第二栽能够是,相对论原理得到保留,但狭义相对论要以如许一栽手段修整:光子从光源到探测器传播的时间取决于它们的能量。这栽能够性被称为双重狭义相对论;近来,这栽能够已经包含在更深层次的概念中,即相对位置论。

  量子理论和喜欢因斯坦的广义相对论已经别离被实验完善证实,但实验尚异国探索到这两者都首主要作用的情形。题目就在于,量子效答在幼尺度上是专门隐微的,而广义相对论的影响必要庞大的质量才能展现出来,以是要相符并这两栽条件必要稀奇的环境。

  单独的点和线外示极幼的空间区域:一个点大约是一立方普朗克长度的体积,而一条线大约是一平方普朗克长度的面积。不过,在原则上,一个自旋网络的大幼和复杂水平并异国节制。倘若你能详细画出关于宇宙的量子态的图示,比如被星系、暗洞的引力所扭曲的空间组织,以及其他任何特性,如许的自旋网络的复杂水平将是无法想象的,其中的点,也许就有10184个。

  20世纪80年代中期,吾们几幼我,包括阿贝·阿西挑卡(Abhay Ashtekar)、泰德·贾寇柏森(Ted Jacobson)和卡洛·洛华利(Carlo Rovelli)决定,重新检查量子力学和广义相对论是否能用标准手段相关在一首。吾们晓畅,20世纪70年代的糟糕终局有一个庞大漏洞。不论吾们如何详细检查,都会发现那些计算伪定的几何空间是不息和腻滑的,正如原子发现之古人们所想象的物质相通。倘若这栽倘若是舛讹的,那么以前的计算手段也是不郑重的。

  量子和引力理论

  固然吾已经大致勾勒出,在普朗克尺度的空间和时间上,圈量子引力理论是什么样子,但现在,吾们还无法在如许的尺度上验证这个理论。这个尺度太幼了。那么吾们如何检验圈量子引力理论呢?在以前几年里,一些富有想象力的年轻钻研人员想出了现在能够做到的新手段。(见下图)

  还有很多圈量子引力理论的未决题目有待回答。固然现在有很益的证据能够表明,广义相对论在某些节制条件下能够成为圈量子引力理论的一个近似理论,但吾们还得弄懂得,这栽近似到底稳担心稳。吾们还必要晓畅的是,相对论必要得到哪些修整,如许才会有一些可不益看测的效答。

  自旋网络

  来源: 环球科学ScientificAmerican

  圈量子引力理论为吾们钻研最深邃的宇宙题目掀开了一扇新窗户。吾们能够行使该理论往钻研大爆炸之后很早的时刻。广义相对论预言存在时间的起头,但这个结论无视了量子物理(由于广义相对论不是一个量子理论)。基于圈量子引力理论的极早期宇宙模型外明,大爆炸实际上是大逆弹;在逆弹之前宇宙是快捷坍缩的。理论物理学家正在勤苦挑出一些预言,能够在异日的宇宙学实验中得到检验。在吾们有生之年望到宇宙大爆炸之前的时间证据并非不能够。

  行使量子力学的标准手段,细心相符并这两个原理,吾们开发出了一套能够经历计算来确定空间是不息照样离散的数学说话。吾们起劲地望到,计算所表现的空间是量子化的。吾们至此已经奠定了圈量子引力理论的基础。这边趁便说一下,在理论计算中会涉及时空中的一些幼圈, “圈量子引力”由此得名。

  这些自旋网络描述了空间的几何组织。但空间中的物质和能量又如何描述呢?吾们该如何外示粒子和场所占有的位置和空间区域呢?对电子如许的粒子,能够对答特定的点,只是必要在点上增补更多的标签。而电磁场如许的场,则可对答着图中的线,当然也必要额外增补的标签。当空间中的场和粒子的移动时,能够经历单独移动某些标签来外示。

  一个庞大的漏洞

  第二个原理则拥有令人印象深切的名字——微分同胚不变性(diffeomorphism invariance),这一原理意味着,不像之前的广义相对论,吾们能够解放选择任何坐标系往映射时空、外达方程。对时空中的一个点进走定义时,只按照这个点上发生的物理过程来定义,而非按照由一些稀奇坐标系所得到的位置 (异国稀奇的坐标系)。微分同胚不变性在广义相对论中极其主要。

  量子力学理论在20世纪的前25年被论证,这一发展过程与确认物质由原子构成严密相关。量子力学方程所必要的某些量,如原子的能量,只能来自于特定的离散单元。量子理论成功预言了原子的属性和走为,以及构成它们的基本粒子和力。

  区域B的体积和面积的能够值所拥有的单位叫做普朗克长度。这个单位与引力的强度、量子的尺寸以及光速的大幼相关,它所衡量的空间几何组织在尺度上不再是不息的。普朗克长度很幼:10-33厘米。因此,圈量子引力理论预言在每立方厘米空间中大约有1099个“体积原子”。如许,每立方厘米所拥有的体积量子数,甚至超过可见宇宙中立方厘米空间的数目(1085)。

  对于这栽情况,实际上存在两栽差别的能够性。第一个能够是,量子时空作梗了基本的相对论原理(即速度和静止是相对的概念)。这意味着,对于一个不益看察者而言,时空原子益像是静止的,就像晶体中的原子相通。

  浅易首见,吾们清淡把图示画成二维的,但最益能够想象它们填充了三维空间,由于这才是实际情况。每一幅图示都从两个方面来定义:图示上各片面之间的连接手段,以及它们与完善定义的其他边界的连接手段,如上文挑到区域的B。

  现在正在进走的几个实验拥有有余的智慧度,能够弄懂得在量子时空中,狭义相对论原形有着怎样的外现。其中最主要的一个实验项现在是自2008年6月最先在轨运走的费米伽马射线天文台(Fermi Gamma Ray Observatory),在所做过的不益看测中,它将实在的物理规律对于狭义相对论的过错节制在量子引力的尺度以下。其他关于星系偏振射电波和极高能宇宙线的不益看测,益像证实了即使在量子几何组织尺度下,相对论原理也是有效的。异日几年,费米伽马射线天文台的不益看测能够倾轧或确认狭义相对论被量子时空修整这一能够性。

  预言和检验

  圈量子引力能够对这些实验做出预言吗?简短的回答是还不克。在20世纪90年代进走的多次计算中,物理学家多次发现与相对性原理相违背的情况,但后来发现,这些计算是用了舛讹的自旋网络演化规律。而现在,物理学家晓畅,切确的演化规律是异国作梗相对性原理的。但它们是否会导致狭义相对论定律被修整?这仍在钻研中。

  吾们的理论还能通知吾们关于时空的什么新闻呢?这些体积和面积的量子态望首来是什么样子的?空间是由多多立方体或幼球构成的吗?答案是否定的——事情没这么浅易。不过,吾们能够用图示来外示空间和面积的量子态。

  圈量子引力理论预言的空间像原子相通:在体积测量实验中能够得到一组离散的数据,即体积也是可区分的块。另一个吾们能够测得的量是区域B的外观积,理论计算再次返回一个清晰的终局:外观积也是离散量。换句话说,空间是不不息的,只存在特定量子单位的面积和体积。

  以是,吾们最先寻觅一栽异国倘若空间不息和腻滑的计算手段。吾们对本身的倘若做了限定,即不在广义相对论和量子理论已被实验验证的原理之外做倘若。尤其是,在吾们的计算中间中保留了两个关键的广义相对论原理。

  不过,吾商议的全部都仅仅是理论上的东西。实在的空间有能够照样不息的,不论吾们探测到多么幼的尺度。由于这是科学,终极的实验才将决定全部。益新闻是,这个决定性时刻能够即将到来。

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  物理学家已经发展出相等多能够把经典理论变化为量子理论的数学程序。多多理论物理学家和数学家致力于将那些标准手段行使在广义相对论上,但早期的钻研终局是令人懊丧的。科学家尝试了很多差别的手段,如扭量理论(twistor theory)、超引力(supergravity)和弦论(string theory)。然而,在多年的钻研后,所有这些理论做出的预言仍无法被实验所证实。因此,很多物理学家最先重新考虑量子理论和广义相对论终极是否真的能够相容。

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