@ 2021.10.13 , 12:57

最新的量子引力学说——因果集理论指出 宇宙恒常没有开端

说来话长,最开始的时……好吧,也许现在我们的宇宙还没有开始呢,因为它始终存在于无限的过去之中。最新的量子引力理论揭示了这一可能性。

英国利物浦大学研究时间性质的物理学家布鲁诺·本托说:"现实中就有许多东西乍看起来是科幻甚至是神话故事里的奇妙玩意。"

在他的工作中,他采用了一种新的量子引力理论,称为因果集理论,其中空间和时间被分解为离散的时空块。根据这一理论,在某个层面上,有一个基本的时空单位。

本托和合作者使用这种因果集方法来探索宇宙的起点。他们发现,宇宙有可能没有开始--它一直存在于无限的过去,只是最近才演变成我们所说的大爆炸。

量子引力也许是现代物理学面临的最令人尴尬的问题。我们有两种异常有效的大理论:量子物理学和广义相对论。

量子物理学已经成功地刻画了自然界四种基本力中的三种(电磁力、弱力和强力),细化到微观尺度。另一方面,广义相对论是有史以来对引力的最有力和最完整的描述。

但是,尽管广义相对论具有所有的优点,它也是不完整的。在宇宙中至少有两个特定的地方,广义相对论的数学原理被打破,无法产生可靠的结果:在黑洞的中心和宇宙的起点。

这些区域被称为 "奇点",是我们目前的物理学定律崩溃的时空点,它们是广义相对论被自己绊倒的数学警告标志。在这两个奇点内,引力在非常微小的长度尺度上变得难以置信的强大。

因此,为了解决奇点之谜,物理学家需要对强引力进行微观描述,也称为量子引力理论。现在有很多竞争者,包括弦理论和圈量子。

还有一种方法,完全改写了我们对空间和时间的理解。

因果集理论

在目前所有的物理学理论中,空间和时间是连续的。它们形成了一个平滑的结构,支撑着所有的现实。在这样一个连续的时空里,两个点在空间上可以尽可能地接近,两个事件在时间上可以尽可能地接近。

但另一种方法,称为因果集理论,将时空重新想象为一系列离散的块状物,或时空 "原子"。这种理论将对事件在空间和时间上的接近程度进行严格限制,因为它们不能比'原子'的大小更接近。

例如,显示器上画面都是平滑连续的,但我们知道,它们其实由分割空间的像素构成。

这一理论让本托感到兴奋。

"我很激动地发现了这个理论,它不仅试图尽可能地从根本上解决问题--作为量子引力的一种方法,实际上是对时空概念本身的重新思考--而且还赋予时间以核心作用,以及时间的流逝在物理上意味着什么,你的过去到底有多大的物理意义,未来是否已经存在。"

因果集理论对时间的性质有重要的影响。

"因果集哲学的主体部分是,时间的流逝是一种物理性的东西,它不应该被归结为某种出现的幻觉,或者是发生在我们大脑内部的东西,使我们认为时间流逝;这种流逝本身就是物理理论的一种表现。因此,在因果集理论中,一个因果集将一次增长一个'原子',并变得越来越大。"

因果集方法巧妙地消除了大爆炸奇点的问题,因为在该理论中,奇点不可能存在。物质不可能压缩到无限小的点--它们不可能变得比时空原子的大小还小。

那么,如果没有大爆炸的奇点,我们宇宙的开端是什么样子的呢?这就是本托和他的合作者,伦敦帝国学院的研究生斯塔夫-扎勒(Stav Zalel)的工作,探索因果集理论对宇宙的初始时刻的说法。

他们未经同行审议的论文,9月24日发表在预印本数据库arXiv中→https://arxiv.org/abs/2109.11953

这篇论文研究了 "在因果集方法中是否必须存在一个开端",本托说。

"在最初的因果集表述和动力学中,经典地讲,一个因果集从无到有成长为我们今天看到的宇宙。而在我们的工作中,就没有大爆炸这个开端,因为因果集对过去是无限的,所以之前总是有一些东西。"

他们的工作暗示,宇宙可能没有开始--它只是一直存在着。我们所认为的大爆炸可能只是这个始终存在的因果集演变过程中的一个特定时刻,而不是一个真正的开始。

然而,仍有许多工作要做。目前还不清楚这种没有开始的因果关系方法是否能让我们可以用物理理论来描述大爆炸期间宇宙的复杂演变。

"人们仍然可以问,这种[因果集方法]是否可以以'合理'的方式解释,或者这种动力学在更广泛的意义上意味着什么,但我们表明,一个框架确实是可能的,所以至少在数学上,这是可以做到的。"

换句话说,这是......一个开始。

https://www.sciencealert.com/the-universe-may-have-never-begun-physicists-say

*说明一下,这个原文把因果集理论的重点放到了最小时空单位上,用于区别它和以往的理论。但实际上,众所众知,圈量子理论里也存在最小的时空单位,如空间子一类的东西。本文这么表述,或许是为了方便读者理解,可以简单地推理出时空没有奇点,因为“物质不可能压缩到小于时空的基本单位”。


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