德國馬克斯·普朗克引力物理研究所，也稱：愛因斯坦研究所的康納·珀塞爾（Conor Purcell）博士今天發表重要文章，報導了該研究所的有關研究。文章題為：「我們可以設計一種不假設存在時空的理論嗎？」副標題：在某些形式的量子引力中，時間本身凝聚成現實。這篇文章今天被列為谷歌科技新聞的頭條。
文章指出，在過去的十年中，物理學領域得到發展，它推測了神秘的代數實體——稱為自旋網絡（Spin Networks）的存在。該網絡被建議為空間和時間的組成部分，被壓縮以產生我們所知的宇宙。這種凝聚態導致了我們目前稱為「大爆炸」的事件，並給該理論起了個名字：凝聚態宇宙學（Condensate Cosmology）。這聽起來像是個奇怪的主意，但我們已經知道宇宙以非常奇怪的方式運作。
這個理論被稱為「群場理論凝聚態宇宙學」。群場理論，英文：Group Field Theory，簡寫GFT，是量子引力物理領域的一個分支，旨在建立從光和物質到時空的一切事物的基本原理，是一個完全基於理論計算的理論。該理論需要大量的抽象推理。儘管存在這些挑戰，但是量子引力吸引了許多物理學家的關注。該理論的想法大膽、極富創造力且極富想像力。
為什麼是量子引力？
通過量子引力來解決物理學中最大的問題之一，需要結合20世紀的兩個偉大理論——廣義相對論和量子力學。前者提供了一個從空間和時間上理解世界的框架，涵蓋了遠距離的行為。廣義相對論引入了一個概念，即時間是相對的，引力本身是由於彎曲的時空而存在。球之所以掉落到地球上，是因為存在一個滲透宇宙並圍繞大物體彎曲的時空場。
量子力學是一個神秘而又難以置信的精確理論，它描述了非常小的微觀世界。它告訴我們，粒子和場都以離散單位存在，由於不確定性，只能用概率來描述。該理論還描述了糾纏現象，這是一種令人困惑的現象，在這種現象中，物理系統之間可以如此糾纏在一起，以至於它們失去了獨立的個體現實，遵循適用於集體的規則。
據目前所知，這兩種理論都是正確的，但又是衝突的。它們的同時存在產生了一個悖論：從某種意義上說，物理學處於混亂之中。量子力學以離散的粒狀的方式處理現實，而相對論告訴我們時空以及引力是連續且非離散的。
解決這個問題的一種方法是賦予其中一種理論優先權。因為我們知道世界是量子的，所以廣義相對論必須是對時空本身的基本量子描述的近似。這表明，理論的任何統一都要求引力變得離散。
圈量子引力的發展
在過去的幾十年中，在解決使引力離散的挑戰方面，圈量子引力（Loop Quantum Gravity，簡寫LQG）顯示出了一定潛力。該理論從愛因斯坦的場方程開始，仔細研究了時空表面之下可能隱藏的東西。數學產生了無數個離散的幾何對象，包括環、格子、多邊形等，它們以稱為自旋網絡和自旋泡沫的各種結構排列。它們一起可以描述現實本身的結構。圈量子引力的這些幾何奇數在空間和時間中不存在，是引力本身的真正組成部分。
最近的進展極大地完善了圈量子引力。有關黑洞的新興思想集中在使用量子力學來描述其周圍的物質場。理論家可能需要另一種更為激進的量子引力方法，而不是簡單地量化廣義相對論，而是可能需要一種在微觀水平上理解時空本質的新方法。引力場可能是一些更基本的東西的體現，而某些東西根本看起來並不像場，因此無法以標準的時空方式來描述。
在1990年代到2000年代，圈量子引力在越來越多的理論物理學家中贏得了很高的聲譽。該理論對時空如何在更基本的層面上進行精確的建議。已經發現，至少根據理論，時空的基本實體完全不像我們所知道的萬有引力場。在圈量子引力理論中，將這些基本實體稱為自旋網絡，為離散的代數對象。
替代弦論的圈量子引力
圈量子引力的核心與弦論衝突，弦論是一種以粒子為中心的理論框架，旨在統一廣義相對論和量子力學。在弦論中，通常假設一個時空，即量子引力旨在解釋的那個假設。從圈量子引力的角度來看，空間和時間必須在成功的量子引力理論中出現，而不是作為起始組件。
弦理論有很多優點。理論物理學中完成的大部分工作都是假設時空的，因此這不是弦理論所特有的問題。這樣做有充分的理由：沒有時空框架，很難說出任何有關現實世界的信息。這個問題實際上給圈量子引力帶來了問題。由於它和諸如群場論之類的相關方法沒有假定時空，因此很難將基本理論與任何已被很好理解的物理學聯繫起來。
對於弦論者而言，通常會對圈量子引力中所做的許多工作產生牴觸，他們認為，如果沒有時空，甚至不能說是在做引力。兩派都是正確的。
群場理論凝聚態宇宙學
量子引力領域現在需要更激進的想法來推動。圈量子引力是從微觀尺度發展到整個宇宙。在過去的十年左右的時間裡，群場理論凝聚態宇宙學的研究提出，我們所知的宇宙是通過一種流體動力凝聚過程產生的。
群場理論凝聚態宇宙學中的這一過程就猶如蒸汽。蒸汽是一個階段，在這個階段中，構成所有空間的實體，或我們稱為空間原子的實體會發現自己凝結成水，這類似於我們的時空。
根據這樣版本的圈量子引力，一旦發生了這種過渡，例如在宇宙的開始，就誕生了熟悉的時空構造。尷尬的是，甚至說到「過渡」或「開始」，都隱含著時間的概念，或者隨著時間的流逝而發生的過程。但在這些想法的背景下，我們必須學會忘記這一點。
許多研究工作都涉及從統計熱力學角度來研究經典引力系統，而統計熱力學是處理熱量和溫度的物理學分支。可以從熱力學角度考慮重力有兩個原因。首先，經典的黑洞力學定律已經暗示了引力與熱力學之間的關係，這暗示著我們更普遍地可以將時空視為一個熱力學系統。這就是我們所說的引力熱力學（Gravity Thermodynamics）。其次，我們知道宏觀熱力學系統具有潛在的量子微觀結構，因此對於熱力學時空，自然要做的就是研究其基本量子引力實體的統計力學。
群場理論凝聚態宇宙學的流體力學描述所需的數學變量具有統計和熱力學起源，如包括流體的數密度和溫度場。例如，流體的一部分可能比另一部分更冷更濃。為描述此類系統的動態變化，首先必須能夠定義這些差異。這是統計力學和熱力學，需要統計技術來描述出現的時空水平上合適的集體變量。
到目前為止，有科學家已經成功地證明，可以使用數學函數來表徵群場理論描述的自旋網絡凝聚水，該數學函數具有與所謂的宇宙波動函數相同的特徵。在量子宇宙學中，該波函數表示宇宙具有某種形狀或幾何形狀的概率。從這個角度來看，似乎可以將凝聚物從非常大範圍的宇宙來解釋。
驗證理論
問題是：宇宙可能與凝聚態宇宙學有關呢？一種可能性是在群場理論凝聚態宇宙學的基礎數學中引入擾動，並觀察它們是否會產生諸如宇宙微波背景之類的東西，即宇宙起源後不久產生的電磁輻射殘留物。如果該理論的基礎旋轉網絡和旋轉泡沫能夠複製宇宙微波背景，那麼將擁有一種檢驗其想法的真實可行的方法。
物理學家們希望，隨著時間的推移，一種或多種量子引力方法將有重要進展，會發現某些具有普遍的或至少是共同的特徵，以及與觀察和實驗相聯繫的方法，某些量子引力方法共有的機制可以解釋一些已經存在的觀測結果。