时空不是连续的?颠覆的理论能否统一两大物理学基石

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  圈量子引力理论预言的空间像原子一样:在体积测量实验中能不需要 不需要 得到一组离散的数据,即体积也是可区分的块。从前你这一 人能不需要 不需要 测得的量是区域B的表面积,理论计算再次返回一一四个多多明确的结果:表面积也是离散量。换句话说,空间是不连续的,只处于特定量子单位的面积和体积。

  圈量子引力理论的一一四个多多核心预言与体积和面积有关。比如一一四个多多球壳,定义其边界为B,你这一 空间区域有体积(a)。根据经典(非量子的)物理,该体积能不需要 不需要 是任何正式数。圈量子引力理论认为,处于非零的绝对最小体积(约为普朗克长度的立方,或10-99立方厘米),之前 预言更大区域的体积能不需要 不需要 取一系列离散的数。之类的,根据圈量子引力理论,处于非零的最小面积(约为普朗克长度的平方,或10-66立方厘米),更大的面积不需要 不需要 不需要 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之类(c)。

  区域B的体积和面积的肯能值所拥有的单位叫做普朗克长度。你这一 单位与引力的效率、量子的尺寸以及光速的大小有关,它所衡量的空间几何形状在尺度上不再是连续的。普朗克长度很小:10-33厘米。之前 ,圈量子引力理论预言在每立方厘米空间中离米 有1099个“体积原子”。从前,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量(1085)。

  自旋网络

  你这一 人的理论还能不知道们关于光阴的哪些地方信息呢?哪些地方地方体积和面积的量子态看起来是哪些地方样子的?空间是由众多立方体或小球组成的吗?答案与非 定的——事情没没有简单。不过,你这一 人能不需要 不需要 用图示来表示空间和面积的量子态。

  简单起见,你这一 人通常把图示画成二维的,但最好不需要 想象它们填充了三维空间,肯能这才是实际情况表。每一幅图示都从一一四个多多方面来定义:图示上各累积之间的连接最好的方式,以及它们与完全定义的你这一 边界的连接最好的方式,如上文提到区域的B。

  哪些地方地方图被称为自旋网络,肯能图上的数字与两种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年代首次提出,自旋网络或许会在量子引力理论中发挥作用。你这一 人在1994年发现,精确的计算能证实彭罗斯的直觉。

  单独的点和线表示极小的空间区域:一一四个多多点离米 是一立方普朗克长度的体积,而根小线离米 是一平方普朗克长度的面积。不过,在原则上,一一四个多多自旋网络的大小和繁杂程度并没有限制。肯能你能完全画出关于宇宙的量子态的图示,比如被星系、黑洞的引力所扭曲的空间形状,以及你这一 任何形状,从前的自旋网络的繁杂程度将是无法想象的,其中的点,离米 全是 1018一一四个多多。

  哪些地方地方自旋网络描述了空间的几何形状。但空间中的物质和能量又如何描述呢?你这一 人该如何表示粒子和场所处于的位置和空间区域呢?对电子从前的粒子,能不需要 不需要 对应特定的点,你这一 需要在点上去掉 更多的标签。而电磁场从前的场,则可对应着图中的线,当然也需要额外去掉 的标签。当空间中的场和粒子的移动时,能不需要 不需要 通过单独移动你这一 标签来表示。

  预言和检验

  并非 我肯能大致勾勒出,在普朗克尺度的空间和时间上,圈量子引力理论是哪些地方样子,但目前,你这一 人还无法在从前的尺度上验证你这一 理论。你这一 尺度太小了。没有你这一 人如何检验圈量子引力理论呢?在过去几年里,你这一 富有想象力的年轻研究人员想出了现在能不需要 不需要 做到的新最好的方式。(见下图)

  对于你这一 情况表,实际上处于两种不同的肯能性。第一一四个多多肯能是,量子光阴违反了基本的相对论原理(即效率和静止是相对的概念)。这是因为,对于一一四个多多观察者而言,光阴原子似乎是静止的,就像晶体中的原子一样。

  第二种肯能是,相对论原理得到保留,但狭义相对论要以从前两种最好的方式修正:光子从光源到探测器传播的时间取决于它们的能量。你这一 肯能性被称为双重狭义相对论;最近,你这一 肯能肯能含晒 在更深度1次的概念中,即相对位置论。

  目前正在进行的几次实验拥有足够的灵敏度,能不需要 不需要 弄清楚在量子光阴中,狭义相对论究竟有着如何的表现。其中最重要的一一四个多多实验项目是自10008年6月之前 刚结束在轨运行的费米伽马射线天文台(Fermi Gamma Ray Observatory),在所做过的观测中,它将真实的物理规律对于狭义相对论的偏差限制在量子引力的尺度以下。你这一 关于星系偏振射电波和极高能宇宙线的观测,似乎证实了即使在量子几何形状尺度下,相对论原理也是有效的。未来几年,费米伽马射线天文台的观测肯能排除或确认狭义相对论被量子光阴修正你这一 肯能性。

  圈量子引力不需要 对哪些地方地方实验做出预言吗?简短的回答是还能不需要 。在20世纪90年代进行的多次计算中,物理学家多次发现与相对性原理相违背的情况表,但之前 发现,哪些地方地方计与非 用了错误的自旋网络演化规律。而现在,物理学家知道,正确的演化规律是没有违反相对性原理的。但它们与非 会是因为狭义相对论定律被修正?这仍在研究中。

  圈量子引力之外

  圈量子引力理论为你这一 人研究最深奥的宇宙疑问打开了一扇新窗户。你这一 人不需要 使用该理论去研究大爆炸事先很早的时刻。广义相对论预言处于时间的开端,但你这一 结论忽略了量子物理(肯能广义相对论全是 一一四个多多量子理论)。基于圈量子引力理论的极早期宇宙模型表明,大爆炸实际上是大反弹;在反弹事先宇宙是越来迅速坍缩的。理论物理学家正在努力提出你这一 预言,能不需要 不需要 在未来的宇宙学实验中得到检验。在你这一 人有生之年看到宇宙大爆炸事先的时间证据从不不肯能。

  圈量子引力理论的从前肯能的观测信号是左和右的对称破缺(即宇称破缺),这有肯能在宇宙背景辐射的偏振观测中被探测出来。肯能宇称破缺效应处于,没有宇宙与镜子中的我本人看起来会是有区别的。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一一四个多多很自然的结果,这是能不需要 不需要 被普朗克卫星(Planck satellite)和你这一 卫星观测到的。

  最近,关于圈量子引力理论的研究也处置了引力和自然界中你这一 力的统一疑问。倘若需要一句话,甚至能不需要 不需要 在该理论中整合进额外维度和超对称。但与弦理论一样,目前还没有经常出现一一四个多多原则来限制圈量子引力理论的唯一性。

  还有你这一 圈量子引力理论的未决疑问有待回答。并非 现在有很好的证据不需要 证明,广义相对论在你这一 限制条件下能不需要 不需要 成为圈量子引力理论的一一四个多多近似理论,但你这一 人还得弄清楚,你这一 近似到底稳不稳固。你这一 人还需要知道的是,相对论需要得到哪些地方修正,从前才会有你这一 可观测的效应。

  不过,我讨论的一切都仅仅是理论上的东西。真实的空间有肯能还是连续的,无论你这一 人探测到多么小的尺度。肯能这是科学,最终的实验才将决定一切。喜讯 是,你这一 决定性时刻肯能即将到来。