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物理学存在万物之理吗?除了弦理论 还有一个圈量子引力理论候选

时间:2019-11-08 18:10:52

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物理学存在万物之理吗?除了弦理论 还有一个圈量子引力理论候选

先请大家思考一个问题。如果现时通过对宇宙的观测得到的数据是可信的,那么由此会得出一个结论,宇宙中物质和能量的占比为:暗能量占68%,暗物质占27%,可见物质占5%。这样看来,目前的人类无论怎么吹嘘科技的发达,我们所能看到的、所能知道、了解的一切,仅仅被涵盖在这个5%的范围之内。换句话说,当今人类科技发展所依赖的两大物理学支柱理论广义相对论与量子力学,只能描述和解释宇宙中5%的物理现象,而宇宙中另外的95%,当代物理学是无法理解的,这也说明了当代物理学远未完善。

质量弯曲时空概念图

应该说,在宏大宇宙的尺度上,广义相对论是成功的。它擅长将传统的牛顿引力概念模型化,在理论中引力不再被看作是一种“力”,而是具有质量的物体造成时间的扭曲表象。而在极微小的宇宙尺度上,量子力学也是成功的,它认为构成宇宙万事万物的是最基本的粒子,量子粒子是实体的微小扰动,具有波动特性。科学家得到了电磁力、强核力和弱核力的量子理论,但却没有引力的量子理论。物理学家尝试将两个理论融合在一起,得到一个能够通用的理论框架,但遗憾的是困难重重,无论怎么努力都不能成功。

粒子概念图

正因为如此,人们才渴望出现一个“万物之理”,它可以用最简洁、最基本的方式描述宇宙中的万事万物,即使宇宙宏大至无限,或者反过来在无限小的尺度上,万物之理都能成立。近几十年,弦理论可以算是最流行的、最具有争议的万物之理的候选理论,它需要宇宙的时空维数达到十维或者十一维,甚至更多。尽管这个理论很美,目前研究者也不少,但这个理论还是很不完整。一是因为它的数学方法仍在寻找当中,二是它作出的任何理论预测都不能得到验证。所以它还有很长的路要走。

高维空间中的“弦”概念图

除了弦理论之外,近年来又一种完全不同的理论被推到了前台。在这个理论中,空间由不可分的微小单位组成,被称为“圈”。这个“圈”很容易让人蒙圈,对“圈”的通俗理解是这样的:圈的直径就是普朗克长度——10^-35米,足够多的圈交织在一起,就有可能衍生出所有的空间和物质。这个理论被称为“圈量子引力理论”。圈量子引力论又名圈引力及量子几何学,是由阿贝·阿什特卡、李·施莫林、卡洛·洛华利等人发展出来的量子引力理论,它和弦理论一起,是目前为止将引力理论量子化最成功的理论。

“圈”概念图

圈量子引力的理论建立了数学模型,它可以直接描述宇宙大爆炸,甚至解释爆炸前的情景。它还作出了一个预测,宇宙大爆炸是一个循环过程的一部分,即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。也就是说,宇宙其实是反复不断地进行膨胀和收缩,宇宙的变迁并非传统意义上的大爆炸,实际上是一次量子跃跃。圈量子引力现在也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。

圈量子引力理论的宇宙反弹模型

但是,它也遇到了和弦理论一样的问题——暂时无法验证。除非物理学家们能够在实验室重新制造一次宇宙大爆炸,否则,就要等到下一次宇宙大反弹才能验证。所以目前看来,圈量子引力理论还只能算是人类在寻找万物之理的过程中,迈出的试探性一步。也许这些想法或观点能够给未来的物理学家们以启发,并最终寻找到真正的万物之理,解释宇宙中的万事万物,并作出可以验证的预测。

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