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2017年02月05日
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量子時空:物理世界最深層 - TC

《Reality Is Not What It Seems:The Journey to Quantum Gravity》

在人類探究大自然的最前線,現代物理兩大支柱正在對決,關乎宇宙一切何來的終極問題。
過去四年間,物理學家相繼找到一直預言的「上帝粒子」和重力波。至此,由量子學說和相對論組成的基礎物理「核心理論」已通過實證的嚴格考驗。「我們可以肯定,量子場論是描述主宰日常生活的物理定律的正確論述框架,因而和人類存活攸關的粒子、力和交互作用都是量子場論推演所得。這一切我們已經全部發現。」Sean Carroll 在《The Big Picture》中的宣言並沒有誇大,因為我們只在物理世界(reality)的表象中存活,不用觸及「時空何來」的懸案。
本來,時空就是宇宙最大的容器,一切存於其中,牛頓視為眾所周知。即使愛因斯坦的相對論發現時空和物質互相扭曲,體現局部地區的重力,亦毋須深究時空何來。要到半世紀前,在宇宙一切起始的大爆炸和黑洞,因為量子和相對論出現不可化解的矛盾,物理學家才不能不正視時間和空間的終極問題。

在核心理論的基礎深層,一切都由量子場的震盪生成。在這裏,各種物質和相互作用已被納入統一的量子學說,唯獨是重力。光子由電磁場震盪產生,在時空中運動;可是重力就是時空,重力場震盪生成的「重力子」如何在本身當中運動?要完成「大一統」,將重力納入量子學說,時空這「容器」本身亦是所載之物,科學家不能再視為先驗地存在,必須直視不可知的深淵。
科普迷都熟悉的弦論,就是以大一統為目標的「萬有理論 (theory of everything)」。可惜,弦論經過最優秀的物理學家奮戰數十年,仍未有成果。不少人認為,卅年來專注於時空量子化的Abhay Ashtekar、Carlo Rovelli以及Lee Smolin等人所創的迴圈量子重力論(Loop Quantum Gravity, LQG)雖無大一統的野心,可能更有成效。
LQG先行者之一的Rovelli繼其暢銷小書Seven Brief Lessons on Physics後,剛出版新書《Reality Is Not What It Seems:The Journey to Quantum Gravity》。教授不諱言,科學家未知的,遠比所知的多,但尚在求學階段的LQG最少有望參加考試。當然,讀者不會有興趣明白理論細節,但比起建基於十多個維度以上的弦論,LQG很容易理解。只要有耐性,不難追隨作者生動的比喻,穿越表象世界。

最難打破的是與生俱來的宏觀世界圖象。按量子力學的測不準原理,要準確地為空間定位,必須安置高速物質於其中,來自其總能量的重力將同時扭曲這空間。定位越準確,空間越彎曲,終會形成連同時空一同吞噬的黑洞,斷破其連續性。因此,受制於量子力學和相對論,空間在極小的尺度必然顯現出顆粒性。
時空不但不可能連續,甚至必須消失於基礎深層。Rovelli以關係取代空間,關係的變化取代時間。在LQG的語言,空間是一個自旋(spin)網路,其節點與結連代表顆粒及之間的關係;自旋網路演變成為自旋泡沬(spin foam),形成有顆粒性的時間和空間。就這樣,時空由重力量子的互動和變化生成,容許重力在統一的數學框架下開展量子化,在毋須時空先驗存在的基礎重構宏觀世界。
原本只是舞台背景的時空,在量子重力一幕粉墨登「場」之後,更真實地存在。

TC

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