現(xiàn)實(shí)中有太多不可思議的存在,人們往往將它們與科幻作品甚至傳說(shuō)聯(lián)系在一起
新浪科技訊 北京時(shí)間10月13日消息,宇宙是從什么時(shí)候開始的?也許,宇宙根本就沒(méi)有所謂的“開始”,而是一直都存在。近日,有研究者提出了一個(gè)新的量子引力理論,揭示了這一可能的機(jī)制。
布魯諾·本托是英國(guó)利物浦大學(xué)的物理學(xué)家,主要從事時(shí)間本質(zhì)的研究。他在研究工作中引入了一個(gè)新的量子引力理論——“因果集理論”。在這個(gè)理論中,空間和時(shí)間被分解成時(shí)空的離散塊;在某種程度上,時(shí)空具有一個(gè)基本單位。
運(yùn)用因果集理論來(lái)探索宇宙的起源會(huì)發(fā)現(xiàn),宇宙可能是沒(méi)有開端的,它一直存在于無(wú)限的過(guò)去,直到最近才演變成我們所說(shuō)的“大爆炸”。
量子引力
量子引力或許是現(xiàn)代物理學(xué)面臨的最令人挫敗的問(wèn)題。我們已經(jīng)有兩個(gè)非常有效的宇宙理論:量子力學(xué)和廣義相對(duì)論。量子力學(xué)成功描述了自然界4種基本力中的3種(電磁力、弱力和強(qiáng)力),直至微觀尺度。另一方面,廣義相對(duì)論是迄今為止對(duì)引力最有效和最完整的描述,雖然并非描述引力的唯一理論,但廣義相對(duì)論卻是能夠與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合的最簡(jiǎn)潔的理論——至今為止,廣義相對(duì)論的預(yù)言已經(jīng)通過(guò)了所有觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。
然而,盡管廣義相對(duì)論有諸多優(yōu)點(diǎn),但它仍然是不完整的。在宇宙中,至少有兩個(gè)特定的時(shí)空點(diǎn),是廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)原理根本無(wú)法解釋的,也無(wú)法得出可靠的結(jié)果。這些時(shí)空區(qū)域被稱為“奇點(diǎn)”,在那里,我們目前所知的物理定律都無(wú)法適用,廣義相對(duì)論所用的數(shù)學(xué)工具也會(huì)失靈。在這兩個(gè)奇點(diǎn)中,引力會(huì)在極小的尺度下變得異常強(qiáng)大。
因此,為了揭開奇點(diǎn)的奧秘,物理學(xué)家就需要結(jié)合廣義相對(duì)論和量子力學(xué),對(duì)這種強(qiáng)大的引力場(chǎng)進(jìn)行量子化描述——因此這也被稱為量子引力理論。目前,科學(xué)家已經(jīng)提出了不少量子引力理論,包括弦理論和循環(huán)量子引力理論等。
現(xiàn)在,科學(xué)家又提出了另一種方法,或許將完全改寫我們對(duì)空間和時(shí)間的理解。
因果集理論
時(shí)空是由離散的塊或時(shí)空“原子”組成的,類似于計(jì)算機(jī)圖像的像素
在所有當(dāng)前的物理理論中,空間和時(shí)間都是連續(xù)的;它們形成了一種光滑的結(jié)構(gòu),構(gòu)成了所有現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。在這樣一個(gè)連續(xù)的時(shí)空中,空間上的兩點(diǎn)可以盡可能地接近,兩個(gè)事件在時(shí)間上也可以盡可能地接近。
然而,在所謂的因果集理論中,時(shí)空被重新想象成一系列離散的塊,即時(shí)空“原子”。該理論將嚴(yán)格限制事件在空間和時(shí)間中的距離,因?yàn)樗鼈儾豢赡鼙取霸印钡拇笮「@?,如果你看著電腦屏幕閱讀這篇文章時(shí),一切似乎都是平滑和連續(xù)的;但如果通過(guò)放大鏡觀看同一個(gè)屏幕,你可能就會(huì)看到分割空間的像素;你會(huì)發(fā)現(xiàn),讓屏幕上兩個(gè)圖像的距離小于單個(gè)像素是不可能的。
這個(gè)物理學(xué)理論使布魯諾·本托受到了啟發(fā)?!鞍l(fā)現(xiàn)這個(gè)理論讓我很激動(dòng),它不僅是在做盡可能基本的嘗試——這實(shí)際上是一個(gè)重新思考時(shí)空本身概念的量子引力理論——而且也賦予了時(shí)間某種核心作用,揭示了時(shí)間的流逝在物理上意味著什么,你的過(guò)去到底有多真實(shí),未來(lái)是否早已存在,”本托說(shuō)道。
宇宙開始的時(shí)間
因果集理論對(duì)時(shí)間本質(zhì)有重要的啟示。
在很大程度上,因果集哲學(xué)認(rèn)為時(shí)間流逝是一種物理現(xiàn)象,不應(yīng)該被歸因于某種突發(fā)的假象,或者發(fā)生于我們大腦中,讓我們認(rèn)為存在時(shí)間流逝的事情;這一過(guò)程本身就是物理理論的一種表現(xiàn),因此,在因果集理論中,一個(gè)因果集一次就會(huì)增加一個(gè)“原子”,并變得越來(lái)越大。
因果集方法巧妙解決了大爆炸奇點(diǎn)的問(wèn)題,因?yàn)樵谠摾碚撝校纥c(diǎn)是不存在的。物質(zhì)不可能壓縮到無(wú)窮小的點(diǎn)——它們的大小不能小于一個(gè)時(shí)空原子。
如果沒(méi)有大爆炸奇點(diǎn),宇宙的起源會(huì)是什么樣子?從這個(gè)問(wèn)題入手,物理學(xué)家探索了因果集理論對(duì)宇宙初始時(shí)刻的解釋,研究成果發(fā)表于9月24日的預(yù)印本數(shù)據(jù)庫(kù)arXiv(這篇論文尚未在同行評(píng)議的學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表)。
這篇論文分析了因果集方法中是否一定存在開端,從經(jīng)典的角度來(lái)說(shuō),在最初的因果集公式和動(dòng)力學(xué)中,一個(gè)因果集從虛無(wú)中發(fā)展成為我們今天看到的宇宙。而在研究中,沒(méi)有大爆炸作為開始,因?yàn)橐蚬瘜?duì)過(guò)去而言是無(wú)限的,所以總有一些事件在之前發(fā)生。
這項(xiàng)研究暗示宇宙可能根本就沒(méi)有“開始”,而是一直存在。我們所感知的大爆炸可能只是這個(gè)始終存在的因果集演化中一個(gè)特殊的時(shí)刻,而不是一個(gè)真正的開端。當(dāng)然,研究者仍有許多工作要做。這種沒(méi)有“開端”的因果集理論是否允許我們用常規(guī)的物理理論來(lái)描述宇宙大爆炸期間的復(fù)雜演變,目前還沒(méi)有定論。
人們?nèi)匀挥幸蓡?wèn),因果集方法是否能以一種合理的方式來(lái)理解,或者這種動(dòng)態(tài)在更廣泛的意義上意味著什么,但無(wú)論如何,這樣一個(gè)框架確實(shí)是可能的,至少在數(shù)學(xué)上,這是可以說(shuō)得通的。
換句話說(shuō),這也是一個(gè)新的開始。
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