循環量子引力：時空縫合而成

2020-11-25 科普直難

在20世紀後期，一群理論物理學家提出了一種將時空描述為量子現象的理論。與弦論一起，循環量子引力試圖使量子力學與引力協調一致。

在現代物理學中，有兩種理論以難以置信的精確度描述微觀現象以及微觀世界中發生的事情： 相對論和標準理論量子力學模型。但是，儘管這兩種理論中的每一種都是準確而令人驚訝的，但它們彼此之間無法很好地配合。

愛因斯坦（Albert Einstein）本人-廣義相對論的作者-直到他生命的盡頭忙於研究將量子力學和引力結合在一起的理論。如您所知，他沒有成功。許多現代理論物理學家-從肖恩·卡洛爾（Sean Carroll）致布萊恩·格林（Brian Green）認為，開發一種可檢驗，可證偽和可證明的量子引力理論將為科學開闢新的視野，並有助於回答許多問題：例如，黑洞事件視野之外發生了什麼？

在眾多的量子引力方法中，弦論和環量子引力被認為是最成功的方法。如果弦理論被人們所了解和談論，那麼它的主要競爭對手-環量子引力-尚未得到如此廣泛的宣傳。

李·斯莫林/©Karol Jarolchowski / Polityka

循環量子引力是一種試圖 以量化格式表達現代引力理論（即廣義相對論，GR）。該理論的方法是將時空理解為分解為離散部分的東西。許多科學家認為迴路量子引力是弦論之外最有機的發展。

循環量子引力是如何產生的

一般認為，環量子引力起源於1986年阿貝（Abei） Ashtekar開發了一種量子廣義相對論的場方程的公式化。1988年，李的物理學斯莫林和卡洛羅維爾（Rovelli）擴展了這種方法-1990年證明可以量化重力，而使用羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）自旋網可以看到這一點。

卡洛·羅維利（Carlo Rovelli）在羅馬的演講中/©Marco Tambara / Wikipedia

簡而言之：循環量子引力的自旋網絡方法將時空顯示為相互連接的部分的集合。可以將其視為代表由線連接的時空部分的點（或節點）。換句話說，時空可以看作是量子節點的網絡。當您從量子尺度「移開」到足夠大的量子尺度時，廣義相對論所描述的時空的平滑結構就變得如此。

循環量子引力導致什麼？

就像所有研究該學科的理論物理學一樣，這一級的物理學和數學非常複雜。關於環量子引力的值存在很多爭議，尤其是與弦論之類的其他方法相比時。

迴路量子引力在以下方面已經成功：

1.量化廣義相對論的三維空間幾何；

2.計算能力 黑洞的熵；

3.預測大爆炸發生時的大反彈，而不是無限的奇點。

環形量子引力中黑洞的熵/©John Baez

但是，到目前為止，由於尚未得到實驗證實，因此它們是數學物理學領域的進步。而在莫斯科大劇院彈跳-無法進行實驗確認。

與黑洞熵有關的預測被認為是該理論的最大成就。環量子引力被認為提供了描述黑洞量子態的準確方法，並且與1970年代史蒂芬·霍金和其他物理學家對黑洞的熵的預測相吻合。

Abei Ashtekar在演講中/©匹茲堡大學

環量子引力的好處

有一個強有力的論點支持環量子引力。事實是它的支持者認為它是終極理論。換句話說，環量子引力理論本身不允許無限。它的主要研究人員之一李·斯莫林（Lee Smolin）在他的《物理學的麻煩》一書中從三點描述了該理論的局限性：

•環路量子引力的面積和體積始終是有限的離散單位；

•在Barrett-Kerin迴路量子引力模型（時空為量子泡沫）中，不同故事中量子引力發展的概率始終是有限的。

•循環量子引力理論中的引力與物質理論（如標準模型）一起包含在內時，不包含無限表達式。如果排除重力，則必須努力避免它們。

循環量子引力問題

環形量子引力的許多缺點與弦論的缺點相同。他們的預測通常與尚無法測試的現象相關（儘管就環量子引力而言，與弦論相比，通過實驗進行實驗的可能性似乎更大）。

此外，尚不清楚是否可以論證環量子引力比弦論更容易證偽。例如，超對稱性或超維的發現不會反駁環量子引力，也不會證明其不存在弦論錯誤。

Carlo Rovelli想像的空間量子/©Carlo Rovelli / Class.Quant.Grav。28（2011）

環量子引力的最大問題是該理論尚未顯示出如何獲取量化空間並從中提取平滑的時空。此外，一些對該理論的批評者認為，在人為的自旋網絡中增加時間的方法也很合理。

循環量子引力中的時空量子理論本質上是空間的量子理論。該理論所描述的自旋網絡無法包含時間。

一些研究這一理論的學者，例如李·斯莫林（Lee Smolin）， 相信時間最終將成為該理論的必要和基本組成部分。同時卡洛·羅維利（Carlo Rovelli）我敢肯定，它最終將表明時間不存在，事實上，這是一種新興現象。

仍然要耐心等待

包括布萊恩·格林（Brian Green）和李·斯莫林（Lee Smolin）在內的數名理論物理學家都提出了循環量子引力和弦論 結果將是描述同一基本物理結構的兩種方式。科學家們希望，對這兩個領域的研究最終將有助於發展出更完整的描述基礎量子理論的基礎理論，進而將導致成功的統一場論，該理論可以將廣義相對論與量子力學的標準模型完全調和。

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