圓量子引力理論預言空間就像一個原子

近幾十年來，物理學家和數學家一直在思考空間是否由離散的塊組成。如果我們能在足夠小的尺度上進行探測，我們會在太空中看到“原子”嗎？這里的“原子”是指空間中存在無法進一步分解的單位。同樣，對于時間來說：自然是不斷變化的嗎？還是這個世界通過一系列微小的步驟像計算機一樣工作？

過去的幾十年見證了科學家在這些問題上的巨大進步。一種被稱為環(huán)量子引力的奇怪理論預測，空間和時間確實是由離散的塊組成的。在這個理論框架下，科學家的計算揭示了一個簡單而美麗的圖像。這個理論也加深了我們對黑洞和BIGBANG相關的令人困惑的現象的理解。最重要的是，目前的實驗很可能在不久的將來探測到來自時空原子結構的信號——，前提是這些結構真的存在。

和量子引力理論。

量子力學理論在20世紀的前25年得到了驗證。這一發(fā)展過程與物質是由原子組成的確認密切相關。量子力學方程所需的一些量，如原子能，只能來自特定的離散元素。量子理論成功地預測了原子的性質和行為，以及組成它們的基本粒子和力。

在量子理論被證明的同時，愛因斯坦構建了引力理論——廣義相對論。在他的理論中，引力是由于物質的存在而使時間和空間(它們一起構成“時空”)彎曲的結果。任何物質或能量的集中都會扭曲時空的幾何結構，導致其他粒子或光向集中的物質或能量偏轉。這種現象叫做引力。

量子理論和愛因斯坦的廣義相對論分別得到了實驗的完美驗證，但實驗還沒有探索出兩者都發(fā)揮重要作用的情況。問題是量子效應在小尺度上非常顯著，廣義相對論的影響需要巨大的質量才能顯現，所以需要一個特殊的環(huán)境來結合這兩個條件。

除了實驗數據的差距，還有另一個重要的概念問題：愛因斯坦的廣義相對論是經典理論，而不是量子理論。物理作為一個整體必然是邏輯自洽的，所以必然有一種理論能夠以某種方式統(tǒng)一量子力學和廣義相對論?？茖W家們所追求的這個理論可以稱為量子引力理論。因為廣義相對論處理的是時空的幾何結構，所以引力的量子理論也是時空的量子理論。

物理學家已經開發(fā)了相當多的數學程序，可以將經典理論轉化為量子理論。許多理論物理學家和數學家致力于將這些標準方法應用于廣義相對論，但早期的研究結果令人沮喪?？茖W家們嘗試了許多不同的方法，如twistor理論、超重力和弦理論。然而，經過多年的研究，這些理論做出的所有預測仍然無法通過實驗得到驗證。因此，很多物理學家開始重新考慮量子論和廣義相對論到底是不是真的兼容。

巨大的漏洞。

在20世紀80年代中期，我們中的一些人，包括阿比阿什卡、泰德雅各布森和卡爾羅羅威利，決定重新審視量子力學和廣義相對論是否可以通過標準方法聯(lián)系起來。眾所周知，20世紀70年代的糟糕結果存在重大漏洞。無論我們怎么仔細考察，都會發(fā)現計算假設的幾何空間是連續(xù)光滑的，就像人們在發(fā)現原子之前想象的物質一樣。如果這個假設是錯誤的，那么之前的計算方法也是不可靠的。

因此，我們開始尋找一種不假設空間連續(xù)性和平滑性的計算方法。我們限制了自己的假設，即不做廣義相對論和量子論原理之外的、經過實驗驗證的假設。特別是，廣義相對論的兩個關鍵原理仍然存在于我們的計算核心中。

第一個原則叫做背景獨立。這個原理說明時空的幾何結構不是固定的，而是一個不斷發(fā)展的動態(tài)量。為了找到這樣的幾何結構，需要求解一些包含所有物質和能量影響的方程。

第二個原理有著令人印象深刻的名字——微分同胚不，這意味著與之前的廣義相對論不同，我們可以自由選擇任何坐標系來映射時空和表達方程。定義一個時空點時，只是根據該點發(fā)生的物理過程來定義，而不是根據某些特殊坐標系(沒有特殊坐標系)得到的位置來定義。微分同胚不在廣義相對論中極其重要。

利用量子力學的標準方法，并仔細結合這兩個原理，我們開發(fā)了一套數學語言，可以通過計算確定空間是連續(xù)的還是離散的。我們很高興看到計算顯示的空間是量子化的。至此，我們奠定了環(huán)圈量子引力理論的基礎。順便說一下，時空中的一些小圓會參與理論計算，因此得名“圓量子引力”。

量子引力理論的一個核心預測與體積和面積有關。例如，邊界定義為B的球殼，在這個空間區(qū)域中有一個體積(A)。根據經典(非量子)物理，體積可以是任何形式數。根據量子引力理論，有一個非零的絕對最小體積(約為普朗克長度的立方，或10-99立方厘米)，和

且預言更大區(qū)域的體積只能取一系列離散的數。相似的，根據圈量子引力理論，存在非零的最小面積(約為普朗克長度的平方，或10-66立方厘米)，更大的面積也只能取一系列離散的數。量子面積和體積的離散值(b)與氫原子的量子能級大致相似(c)。

圈量子引力理論預言的空間像原子一樣：在體積測量實驗中可以得到一組離散的數據，即體積也是可區(qū)分的塊。另一個我們可以測得的量是區(qū)域B的表面積，理論計算再次返回一個明確的結果：表面積也是離散量。換句話說，空間是不連續(xù)的，只存在特定量子單位的面積和體積。

區(qū)域B的體積和面積的可能值所擁有的單位叫做普朗克長度。這個單位與引力的強度、量子的尺寸以及光速的大小有關，它所衡量的空間幾何結構在尺度上不再是連續(xù)的。普朗克長度很?。?0-33厘米。因此，圈量子引力理論預言在每立方厘米空間中大約有1099個“體積原子”。這樣，每立方厘米所擁有的體積量子數，甚至超過可見宇宙中立方厘米空間的數量(1085)。