会员文学网

第二节 弦理论与回圈量子引力（第2页）

第二，超对称的难以检验。忙碌在欧洲大型对撞机实验室的科学家们刚刚宣布了重大消息，就是发现了希格斯粒子痕迹。很多科学家们开始对欧洲大型对撞机能够发现弦理论中的超对称粒子寄予厚望。如果发现，将是物理学上的大突破。首先超弦理论避免了试图将引力量子化时产生的紫外发散，同时它也比传统量子场论更具预言能力，比如它曾对粒子相互作用中提出超对称粒子的概念。弦理论者认为欧洲大型对撞机能够在接近当前能量的基础上，可能发现超对称粒子对粒子对撞实验产生影响。如果超对称粒子将被实验证实，在物理学上将具有重要的意义。再者弦理论涉及到磁单极在超弦理论的结构中起着重要作用，如果超弦理论成立，磁单极子就必须存在，虽然其密度也许已被宇宙暴涨稀释到无法观测的程度。如果超对称性在大型强子对撞机中被检测到，它不一定会被看做弦理论的一个直接证明。然而，如果超对称性未被检测出，人们必须重新思考弦理论是否正确。

第三，不可靠的背景依赖。有关弦理论应用的一个中心问题是：弦理论最好的理解背景保存着大部分从时不变的时空得出的的超对称性潜在理论。

目前，弦理论无法处理好时间依赖与宇宙论背景的问题。在弦理论目前的构想中，由于弦理论对背景的依赖，它描述的是关于固定时空背景的微扰膨胀，它可能不是真正基础的真实情况。

第四，数量庞大的答案。弦理论允许太多的可能性方案，弦理论允许很多不同的宇宙定律，根据不用的维在空间力蜷缩不同的形式、振动、作用原理，意味着有数百万亿的不同宇宙空间及其定律。如果有人从宇宙大爆炸开始就计算这些定律，一百亿年来，其实这个人只计算了其中的不到百万亿分之一。霍金认为得有10的500次方的结果。显然霍金本人是不乐意的，因为这失去了霍金本人的简学美的要求。

虽然弦理论很好地解释了包括基本粒子构成与引力在内的四大基本力的相互作用，但是任意调整性太多，太抽象。弦理论的多维来源本身也是物理学之谜，各维之间的内在联系性非常差，这不应该是物理世界的本质。

而在本书提到的圆转无穷的宇宙模型里只有三个简洁的要素，这个模型是：一个圆转运动足够大宇宙；宇宙基本无数跳动的”无“力弦粒子；基本单元力弦粒子。在本身属性与运动的宇宙带动下，多层聚合后形成一个连续的，多层级的，各种作用力的，微观粒子与宏观星系的宇宙体系。相比弦理论，引用爱因斯坦的话，这个模型就是简单的不能再简单了。这个模型几乎可以解释所有的物理学之谜，甚至也可以解释生命的诞生与人的意识之谜等。

回圈量子引力论（LQG）的理论

回圈量子引力论（LQG）的理论又叫循环量子理论。量子力学与相对论的主要不同是后者侧重于宇宙时空的统一体，前者则基于离散的物理量以测不准量子的形式体现。此外，量子力学与其他物理现象都涉及到一个极小而且基本的普朗克尺度问题。到目前为止，量子力学理论中没有量化的引力模型，而相对论则阐述了引力模型。

对此除了弦理论外，有的物理学家提出了一种被称为“回圈量子引力论”（LQG）的理论。圈量子引力论和弦论是目前为止将引力论量子化最成功的理论。

此理论通过量子场论尝试解释引力论的量子化过程，并将广义相对论引入到场论的道路上。在该理论下，时空描述是呈背景独立，由关系性循环织成的自旋网络铺成时空几何。自旋网络中的每个边界为一个普朗克尺度，无限的自旋网络循环构成了时间与空间的几何特征，循环并不存在于时空中，循环扭结的方式定义时空几何。而且在普朗克常量的约束下，自旋网络的时空中存在量子涨落现象，随着时间的推移，自旋网络也可被认为是自旋泡沫（Spinfoam），在此理论下时空是离散的。

多数弦论学家相信无法在3+1维时空中，将引力量子化而不产生物质与能量有关的人工产物。然而弦论所预测的物质有关的人工产物，也未被证明是否真的与实际观测到的物质不相同。不过若圈量子引力成功地成为引力的量子理论，则已知的物质场必须“事后”再加到此一理论中，而不是从理论中自然而然地出现。圈量子引力论的创始者之一李·施莫林已思索过：弦论与圈量子引力二者可能分别是一个终极理论两相不同的近似这样的可能性。

目前圈量子引力声称具有的成功之处有：一、其为三维空间几何的非微扰量子化，具有量子化的面积与体积算符。

二、其包含了对于黑洞熵的计算。

三、其为弦论以外另一可行的理论，但仅只涉及引力的量子化（即非万有理论）。

虽然许多圈量子引力的核心成果都是来自于严谨的数学物理，但这样的论点尚未被科学家们完全接受，它们的物理诠释仍多为推敲性质。圈量子引力是有可能成为引力或者是几何的改进方案，第二点中的熵计算事实上是针对一种形式的“洞”来做的，但这个洞可能是也可能不是黑洞。

圈量子引力的两个最重要的假设为——广义协变与背景独立。广义协变是指物理学的定律可以用任何的坐标系来表示，这也是广义相对论的基本假设；背景独立是指不存在可以作为背景的独立不变的度规、坐标系等。

圈量子引力被认为是将广义相对论和量子物理学相统一的最有效手段，由宾夕法尼亚州重力物理与几何学院始创并由阿什特卡牵头提出。阿什特卡称：“尽管爱因斯坦广义相对论在解释宇宙方面表现出众，甚至可以描述到接近宇宙的起源，但是在接近宇宙大爆炸时物质密度变得极大，这时相对论就不再适用了。要解释大爆炸之前的宇宙，我们就得应用量子理论，而在爱因斯坦时代，这种理论还没有出现。这种理论假定时空几何本身有离散的‘原子’结构，与我们熟悉的时空连续性不同，空间是由一维量子构成，在接近大爆炸时，这种构造被剧烈地打破，量子自身的属性使得物质引力相互排斥，而非相互吸引。”

阿什特卡和他的两位博士后研究员托马斯·保罗斯基和帕姆普里特·辛格正试图用圈量子引力理论解释大爆炸前的宇宙形态。他们建立数学模型来直接描述宇宙大爆炸，甚至解释爆炸前的情景。阿什特卡认为：“在大爆炸之前存在着另一个时空几何的宇宙，与现在的宇宙十分相似，只是它不是在膨胀，而随着时间逐步缩小。其实宇宙的变迁并非传统意义上的大爆炸，实际上是一次量子跳跃。”

科学家们通过研究“回圈量子引力论”（LQG），不但可以提供有关空间和时间的准确数学模型图像，而且也可以用于解释涉及黑洞和宇宙大爆炸等长期悬而未决的问题。科学家认为，当巨大恒星耗尽核聚变所需的燃料，并在自身引力作用下坍塌时就会形成黑洞。恒星的外层被驱逐，而内部核心自我坍塌，引力作用变得越来越强，直到核心的质量被凝聚形成非常小的区域。根据广义相对论，这一区域是时空的单一点，而这一点的密度是无穷大——也就是奇点，但一些科学家并不相信奇点的存在。

在描述黑洞问题上，循环量子引力论（回圈量子引力论）并不会产生一个奇点。量子力学认为原子是以量子化、独立的状态存在时，而循环量子引力论则提出时空本身就是由量子化、独立的部分构成，以微小、一维的循环存在。美国物理学家久治·普林（JePullin）与乌拉圭鲁道夫·甘比尼（RodolfoGambini）认为：“这个循环是指：从本质上来说时空本身是一维的。基本的建构单元是一个循环，或者循环网络。从视觉影像来说，你可以把它想象为网眼织物。”物理学目前并不能描述黑洞内部发生的具体情况，广义相对论与量子力学发生碰撞，产生了所谓的奇点。物理学家首次将循环量子引力论应用于黑洞问题上，并发现在黑洞内部，空间和时间高度弯曲，但其中的引力并非无限的。2005年科学家意识到循环量子引力论可以解决宇宙大爆炸奇点问题。这项研究发表在2013年5月23日的《物理评论快报》上。

而且该理论预言了宇宙大爆炸之前发生的神秘宇宙事件，并暗示我们今天的宇宙是由前一个宇宙的崩溃而催生，大爆炸在“回圈量子引力论”理论中是一种“大反弹”，宇宙的开始不是一个奇点，而是一个连续的过程。

目前，“回圈量子引力论的有效场论”项目团队的科学家们认为这项研究结果已经超出了预期，其有利于科学家们真正建立起“回圈量子引力论”（LQG）理论，他们将该理论作为描述空间和时间量子蓝图的有力竞争者，并可以兼容广义相对论，从而为揭开关于宇宙中的物理学之谜寻找可能的答案。

从弦理论与回圈量子引力而引发的思考是：无论弦理论还是回圈量子引力，都对时空有了新的定义，都试图把时间与空间分开。而更引人关注的是这两种理论对于万有引力有了新的解释，给人们更多的思考空间。弦理论可以把引力解释为穿越膜的弦，回圈量子引力把引力量子化后似乎改变了引力的方向的定义。突破传统定义的万有引力的方式及其方向是否要改变传统认识呢？事实上在生物学领域，遵从自然法则的基因与核小体作用力结构就像绳子捆绑东西一样，是一种由外向内的有秩序缠绕包裹力，万有引力弄错了方向。这种包裹力显示的是一种引力效果，而在本书提出的多层宇宙空间里，排斥力是一种系统内部的粒子向往冲击力的效果。