http://sa.ylib.com/news/newsshow.asp?FDocNo=1293&CL=63 顛覆大霹靂—宇宙是反彈出來的？ 我們的宇宙可能起源於由奇特的量子重力效應所驅動的大反彈——這表示大霹靂不再是宇 宙萬物的起點了。 撰文╱柏卓瓦（Martin Bojowald） 翻譯／李沃龍 重點提要 ■ 愛因斯坦的廣義相對論說，宇宙源自於大霹靂奇異點，在那時刻我們所見的一切物質 都聚集到密度無限大的奇異點上。但這理論並不具備完善的時空量子結構，因此我們無從 得知物質緊密匯聚的極限與重力強度的範圍。物理學家需要一套新的量子重力論，才能明 瞭究竟發生了什麼事情。 ■ 根據其中一個可能的理論：環圈量子重力，空間可被細分為許多具有體積的「原子」 單位。由於它們僅有有限的容量可儲存物質與能量，因此奇異點是無法真正存在的。 ■ 若果真如此，時間就有可能往前推到大霹靂之前。大霹靂前的宇宙或許曾非常劇烈地 收縮成具有極大密度的一點，然後反轉整個過程。簡單的說，就是由大崩塌導致大反彈， 最後才變成大霹靂。 由於原子的概念在現代已經是老生常談，我們很難想像從前那曾經是個多麼荒誕不經的想 法。幾個世紀前，當科學家第一次假設原子的存在時，他們絕望地認為這麼小的東西絕不 可能觀測得到，甚至有許多人質疑原子這樣的概念是否合乎科學。不過，關於原子的證據 逐漸累積，終於在1905年因為愛因斯坦分析了液體中微塵顆粒隨機跳動的布朗運動，達到 了高峰。即便如此，物理學家仍然花了20年才發展出解釋原子的理論，也就是量子力學。 又過了30年之後，物理學家米勒（Erwin Muller）才第一次利用顯微鏡觀察到原子的身影 。今天，物理學各領域的發展，幾乎都奠基於物質原子的特殊性質。 物理學家對時間與空間組成的理解亦遵循著類似的途徑，但還未達到成熟的階段。正如同 從物質的行為可看出它們是由原子構成的一樣，空間與時間的行為也暗示了它們具有某些 細微的結構——可能是類似「時空原子」組成的馬賽克構造，或是某種網狀系統。物質原 子是化合物不可分割的最小單位；同理，想像中的空間原子是距離上不可分割的最小單位 ，一般認為它們的大小只有大約10-35公尺，小到連當今最強大的儀器最低可探測到10-18 公尺的距離，都無法看到它們。所以，許多科學家甚至質疑這種時空原子的概念是否合乎 科學，不過，也仍有許多科學家不受影響，相繼提出間接觀測時空原子的方法。 看似最有希望的方式，與宇宙的觀測有關。如果能倒轉宇宙的時間，我們所見的星系會全 都匯聚到一個無限小的點：大霹靂奇異點。愛因斯坦的廣義相對論預言宇宙在該點上具有 無窮大的密度與溫度，一般認為這是宇宙的起點，物質、空間與時間從此誕生。不過，這 種詮釋有些過頭了，因為無限大的數值代表廣義相對論本身在此失效。為了理解大霹靂時 究竟發生了什麼事情，物理學家必須超越相對論，發展出一套能夠捕捉到時空細微結構的 量子重力論，克服相對論完全無能為力的問題。 該結構的細節產生於太初宇宙的緻密環境下，從現今物質與輻射的分佈上或許能看出一些 蛛絲馬跡。簡單地說，假如時空原子確實存在，將不會像物質原子一樣得花上好幾百年才 找到證據，靠點運氣，我們或許在未來10年內就能知道此事的大致輪廓。 組成時空的「原子」 物理學家已經設計出一些量子重力的可能理論，每個理論都將量子原理以不同的方式應用 在廣義相對論上。我的工作鎖定在環圈量子重力（簡稱「環圈重力」），那是在1990年代 經過兩個步驟發展出來的理論。首先，理論學家以數學方法重新將廣義相對論公式化，讓 它看起來很像古典的電磁理論；這理論就是因為類比於電場和磁場線而以「環圈」為名的 。其次，依循某些與扭結數學相同的創新程序，將量子原理應用到環圈上。如此導出的量 子重力理論，預測了時空原子的存在。 其他的理論，像弦論與所謂的「因果動力三角形」等，並沒有預測像這樣的時空原子，但 認為有其他的方式可讓極短的距離成為不可分割的物理量。這些理論間的差異已引起了許 多紛爭，但對我而言，它們之間的矛盾並沒有大到不可互補的地步。舉例來說，若想統一 在微弱重力狀況下粒子間的交互作用，弦論是非常有用的38 理論。但若想分析在重力場 強大的奇異點上究竟發生了些什麼事情，環圈重力的原子建構則更為有效。 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2008年第81期11月號】 --

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