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让时间和空间分家吧

2020-08-06 00:18:10 来源 : 洞察前瞻 点击 : 858


翻译:宋宜真

牛顿对了、爱因斯坦错了吗?如果剖开时空的结构、回头聆听19世纪对于时间的看法,我们得到的是量子重力论。

过去数十年来,物理学家一直在为量子力学跟重力理论的结合而奋斗,毕竟自然界中其他作用力的身世早已釐清且各就各位,例如电磁力就可以用光子的量子力学运动来描述。但是,若想以量子重力来描述两个物体间的重力,马上就会遇到困难:最后计算出来的解都是无限大。现在,美国加州大学柏克莱分校的物理学家侯拉瓦(Petr Hořava)认为他发现问题所在了:这一切都跟时间有关。

更确切来说,问题在于爱因斯坦的重力理论中(也就是广义相对论),空间和时间是如何连结的。众所皆知,爱因斯坦推翻了牛顿系统中绝对的时间观(牛顿系统中,时间是稳定地在背景中滴答前进),并提出时间事实上是另一个维度,和空间紧密结合在一起,所形成的时空结构是会受到物质影响而弯曲变形的。问题在于,量子力学中,时间仍旧维持着牛顿力学系统中那种超然独立的角色,是物质演出的舞台,而不会受到物质出现与否的影响。这两种时间的概念是不相容的。

侯拉瓦表示,解决方式就是在非常高能量的状态下,把时间跟空间断开,一如受量子重力主导的早期宇宙。侯拉瓦说:「我回到牛顿的想法,将时间和空间视为不对等之物。」而在低能量状态,广义相对论便会从背景架构中浮现,将时间和空间重新缝合。

侯拉瓦以某些奇特物质改变相态的方式,来解释广义相对论的浮现。举例来说,这就像低温液态氦的性质会发生剧烈改变,形成一种不具摩擦力的「超流体」。他以各种诡异相态转变的数学来建构他的重力理论,而且目前为止都还可行:其他理论在无限大之处都会遇到困难,但这个理论则否,而且能建构出运作得当的重力表现,也能符合电脑模拟出的量子重力。

让时间和空间分家吧由I, AlfredLeitner, took this photograph as part of my movie "Liquid Helium,Superfluid" - 自己的作品,公有领域,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7741454
处于超流相的液氦,会在杯身内面向上缓慢攀爬,攀越过杯口,然后在杯身外面向下缓慢滑落,集结在一起,形成一滴液氦珠,最后滴落在下面的液氦裏。这样,液氦会一滴一滴的滴落,直到杯子完全流空为止。

侯拉瓦的理论在2009年1月发表之后,等于为物理界打了一针强心剂。同年11月,物理学家在加拿大安大略省的滑铁卢圆周理论物理研究所会面,主要是确认这个模型能否正确描述我们现今所看到的宇宙。当初就是爱因斯坦预测水星运动的準确度高于牛顿的重力理论,广义相对论才大获全胜。侯拉瓦的重力理论也能获得一样的成功吗?目前的答案似乎是肯定的。葡萄牙里斯本大学的罗勃(Francisco Lobo)等人已经运用该理论,正确描述出行星的运动。

还有人对于侯拉瓦的重力理论做出更大胆的声明,尤其是用来解释大霹雳理论中的奇异点等宇宙学重大难题,因为物理定律在奇异点无法成立。加拿大马吉尔大学的宇宙学家布兰登柏格(Robert Brandenberger)于2009年8月《物理通讯评论D》的文章中表示,如果侯拉瓦的重力理论是正确的,那幺宇宙并非如大霹雳般炸开,而是反弹开来的。

他说:「充满物质的宇宙将会收缩到一个很小(但有限的)体积,然后再反弹开来。」根据布兰登柏格的计算,宇宙反弹所生成的涟漪,跟卫星已侦测到的宇宙微波背景辐射是相符的,而他目前正在寻找其中的特徵讯号,以区隔出反弹理论跟大霹雳理论。

日本东京大学宇宙学家向山信治则表示:侯拉瓦的重力理论还创造出一个「暗物质的幻影」。他在2009年9月的《物理通讯评论D》的文章中解释,在特定情形中,侯拉瓦的重力会与一般物质交互作用而有所涨落,因此重力会比广义相对论所预测的稍高。基于这个影响,星系实际包含的物质比能观测到的要多。

此外,韩国国立全北大学的宇宙学家朴武仁(Mu-In Park)认为,能让宇宙加速膨胀的动力,或许是侯拉瓦的重力,而不是现今所认定的神秘暗能量。朴武仁表示,对宇宙起源最重要的一项解释,就是空无一物的空间其实有内在的能量去把宇宙往外推。这种内在能量并非来自于广义相对论,而是从侯拉瓦重力方程式自然推导而来。


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