由于光速的有限性 , 我们只能看到宇宙有限的一部分。 (图)

相对论和量子论一锅烩 [ 2008-09-16 22:11:12 | 上传: admin ] 字体大小: 大 | 中 | 小 [来源:《科学美国人》中文版　 中国科技信息研究所加工整理] 光锥，由时间－三维空间（X、Y和Z）中的光速绘图而成，它定义了一个事件所有的过去和未来的联系 　　她谈论物理学就像在谈论烹调:" 我的强项是把无关的东西搁一块, 将一种原料与另一种 搁一块做成一样东西。" 这一技艺就在于先计划好要使用的原料以及怎样把它们配在一起, 这 样, 当烤炉晌铃时," 宇宙" 就恰到火候地出炉好了。 　　kalamara今年31岁, 被普遍认为是全球最有前途的年轻物理学家之一。她最近接受了加拿大安大略省的Perimeter理论物理学院的职位(该学院在加拿大相当于美国新泽西州的普林斯顿高级研究院) 。在该学院, 她与Robert Myers 和Lee Smolin 等杰出物理学家一起工作, 希望将爱因斯坦广义相对论与量子理论融为一体, 以解释时间和空间的本质。 　　广义相对论与量子论的融合可能是现代物理学面临的最大挑战, 长期以来只有弦理论堪与之匹敌。弦理论认为, 物质的构造单元是一些微小的一维弦, 而弦的各种振动表现为人们熟悉的粒子合奏曲; 粒子就像音符一样。 　　尽管弦理论将引力与物质的量子描述结合起来了, 但一些物理学家认为这一理论存在缺陷 , 无法成为宇宙的终极理论。缺陷之一 , 弦理论预测空间维数多达26维 , 比实验已发现的维数多得多。更为根本的是 , 尽管弦理论能很好地描述物质 , 却未对弦所占据的空间作出解释。弦理论的新版本也许解决了这一问题。不过 , 一小部分物理学家 , 包括宾夕法尼亚州立大学的 Smolin 、Abbay Ashtekar 和法国马赛理论物理研究中心的 Carlo　Rovelli, 更看好另一种理论 : 环量子引力 (LQG) 理论。 　　根据LQG理论 , 物质是由环构成的 , 环相互作用并相互结合 , 形成所谓的旋转网络。这一概念是英国数学家 Roger Penrose 在20世纪60年代作为抽像图首先设想出来的。 Smolin 和 Rovelli 在运用标准方法对广义相对论方程式进行量子化时 , 发现数学中隐藏着 Penrose网络。这些网络的节点和边界携带着具有面积和体积的独立单元 , 从而形成三维量子空间。但是 , 由于这些理论物理学家都是从相对论出发 , 因此他们仍然保留了量子网络之外的空间的某些概念。 　　这是环量子引力理论在 20 世纪 90 年代后期的情况 , 当时 ,kalamara 开始研究这一理论。她探寻科学宝藏时的好运气导致她发现了这一领域。这位来自希腊雅典的理论物理学家说:"十六、七岁时, 我打算只从事物理学研究。在此之前, 我有过各种各样的理想: 考古学家、 天文学家、画家。" 她在伦敦大学读本科的时候 , 一位学理论物理的朋友向她推荐了伦敦皇家学院量子引力理论家 Chris Isham的课。" 我就像找到了回家的路一样。我每周去听一次 , 并且喜欢上了他的课。 "kalamara 让Isham 信服了, 后者成了她的导师 , 她最终获得量子引力方面的博士学位。然后作为博士后 , 她与美国宾州的 Smolin 一起从事研究工作。 　　在研究 LQG 的外部空间时 ,kalamara 问道 : 为什么不从 Penrose 旋转网络出发 ( 该网络未嵌入任何前在空间 ), 再结合LQG的某些成果 , 看看会有什么样的结果出来呢 ? 研究结果发现 , 旋转网络不依赖于空间 , 也不是由物质形成的 ; 相反 , 倒是这些网络的结构产生了空间和物质。在这一图景里 , 除了几何关系之外一无所有。空间不再是一个客体 ( 如粒子 ) 振动和相互碰撞的场所 , 而变成了一个永远在变换样式和过程的万花筒。 　　每个旋转网络类似于一次 " 快照 "(snapshot)--宇宙中一个凝固的时刻。实际上 , 旋转网络基于简单的数学规则而发展变化 , 而且越变越大 , 越变越复杂 , 最终发展成为我们居于其中的广袤太空。 　　kalamara 通过跟踪旋转网络的未来的这种变化 , 可以解释时空的结构。特别地 , 她认为这种抽像的环能够产生爱因斯坦理论中最具标志性的特征之一？？光锥 (light cone), 光锥是指这样的时空区域 , 光 ( 或其他物质 ) 在该区域可以实现特定的事件。光锥保证了先因后果的因果律。我们可以通过抬头观望星空来理解这一概念。我们知道 , 有无数的星体我们无法看到 , 因为自宇宙诞生以来 , 这些星体发出的光还没有足够的时间到达地球。也就是说 , 它们在我们的光锥之外。 　　然而 , 对于何处是光锥与旋转网络的接合点 , 并非如此显而易见。旋转网络服从的是量子力学。在那些无怯确定的区域 , 任何网络都可能发展出无限的新网络 , 且没有因果规律可循。 Smolin说 :" 我们不知道 , 以我们过去使用的语言该怎样来描述这种因果关系。" 通过将光锥与网络节点相结合 ,kalamara 发现 , 网络的发展变成有限的了 , 而且保留了因果律。 　　但是 , 如果一个旋转网络代表了整个宇宙 , 就会产生一个很大的问题。根据量子力学的标准解释 , 在观察者观察事物之前 , 事物都处于一种几率中间态 , 但观察者不能从宇宙边界之外回过头来看他自己。那么 , 宇宙存在吗 ?" 这是一个非常棘手的问题 ,"kalamam 说 ," 谁能够从外界观察宇宙呢 ?" 而她的答案是 : 我们能。宇宙内部的宇宙观察者 , 表现为网络节点。她认为 , 要画出这张巨大的宇宙图 , 并不需要一位画家 , 而是许多人都可以做。特别地 , 她还认识到 , 将因果关系引入量子时空的光锥 , 同样能切实定义每位观察者的状态。 　　由于光速的有限性 , 我们只能看到宇宙有限的一部分。你所在的时空位置是独一无二的 , 因此 , 你所看到宇宙的那一部分也与其他人所看到的略有不同。尽管不存在能获得宇宙所有信息的宇宙外观察者 , 但我们仍然能够基于各自接受到的部分信息建立对宇宙的有意义的描述。这是一个美妙的思想 : 我们每个人都有自己的宇宙。但我们各自的宇宙有众多共同之处。 kalamara 解释说 :" 我们看到的大都是相同的东西 ," 这也是为什么我们在一个量子化时空中看到的却是一个平滑宇宙的原因。 " 实际上 , 我认为理论物理学与艺术非常相似 ," 父母都是雕塑家的 kalamara 说 ," 将这些理论融合在一起 , 就好比用粘土创作作品 , 各方面都要尽善尽美。我喜欢创造性的工作 , 但我也喜欢我的工作经得起检验 " 　　检验的时刻正在来临。有一些细节还需要解决 , 诸如 , 如何从量子因果律中导出常规的一维时间。 kalamara 设想 , 如果观察结果能够证实旋转网络的基础 , 她就将消除其中的缺陷。其中一个实验可能跟踪相距数十亿光年的伽玛射线辐射量子。如果时空事实上是非连续的 , 依据各量子波长的不同 , 它们的行进速度也应该略有不同。 kalamara 正在努力破解这种散射形式。 　　她的预测如果正确 , 可能会永远改变我们对宇宙结构的思考方式。在未来几年内 , 可能要进行几次量子引力的实验。 kalamara 说 :" 我一直告诫自己 , 如果我的理论不能变成现实物理学 , 不能与实验结合起来 , 那我在纽约算是找了一份太值的工作了。就我所知 , 这个理论也许是很容易验证的。一直都存在这种可能。" 与此同时 ,kalamara 努力工作 , 并等待着 " 烤炉的铃声 " 。