http://sa.ylib.com/news/newsshow.asp?FDocNo=1293&CL=63 颠覆大霹雳—宇宙是反弹出来的？ 我们的宇宙可能起源於由奇特的量子重力效应所驱动的大反弹——这表示大霹雳不再是宇 宙万物的起点了。 撰文╱柏卓瓦（Martin Bojowald） 翻译／李沃龙 重点提要 ■ 爱因斯坦的广义相对论说，宇宙源自於大霹雳奇异点，在那时刻我们所见的一切物质 都聚集到密度无限大的奇异点上。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重力强度的范围。物理学家需要一套新的量子重力论，才能明 了究竟发生了什麽事情。 ■ 根据其中一个可能的理论：环圈量子重力，空间可被细分为许多具有体积的「原子」 单位。由於它们仅有有限的容量可储存物质与能量，因此奇异点是无法真正存在的。 ■ 若果真如此，时间就有可能往前推到大霹雳之前。大霹雳前的宇宙或许曾非常剧烈地 收缩成具有极大密度的一点，然後反转整个过程。简单的说，就是由大崩塌导致大反弹， 最後才变成大霹雳。 由於原子的概念在现代已经是老生常谈，我们很难想像从前那曾经是个多麽荒诞不经的想 法。几个世纪前，当科学家第一次假设原子的存在时，他们绝望地认为这麽小的东西绝不 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，关於原子的证据 逐渐累积，终於在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年才发展出解释原子的理论，也就是量子力学。 又过了30年之後，物理学家米勒（Erwin Muller）才第一次利用显微镜观察到原子的身影 。今天，物理学各领域的发展，几乎都奠基於物质原子的特殊性质。 物理学家对时间与空间组成的理解亦遵循着类似的途径，但还未达到成熟的阶段。正如同 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，想像中的空间原子是距离上不可分割的最小单位 ，一般认为它们的大小只有大约10-35公尺，小到连当今最强大的仪器最低可探测到10-18 公尺的距离，都无法看到它们。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，不过，也仍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：大霹雳奇异点。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，因为无限大的数值代表广义相对论本身在此失效。为了理解大霹雳时 究竟发生了什麽事情，物理学家必须超越相对论，发展出一套能够捕捉到时空细微结构的 量子重力论，克服相对论完全无能为力的问题。 该结构的细节产生於太初宇宙的致密环境下，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，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，我们或许在未来10年内就能知道此事的大致轮廓。 组成时空的「原子」 物理学家已经设计出一些量子重力的可能理论，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。我的工作锁定在环圈量子重力（简称「环圈重力」），那是在1990年代 经过两个步骤发展出来的理论。首先，理论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；这理论就是因为类比於电场和磁场线而以「环圈」为名的 。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。如此导出的量 子重力理论，预测了时空原子的存在。 其他的理论，像弦论与所谓的「因果动力三角形」等，并没有预测像这样的时空原子，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 多纷争，但对我而言，它们之间的矛盾并没有大到不可互补的地步。举例来说，若想统一 在微弱重力状况下粒子间的交互作用，弦论是非常有用的38 理论。但若想分析在重力场 强大的奇异点上究竟发生了些什麽事情，环圈重力的原子建构则更为有效。 【欲阅读更丰富内容，请参阅科学人2008年第81期11月号】 --

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