每年,美國加州的死亡谷都會迎來近百萬的游客,他們被沙丘曲折的優(yōu)美結(jié)構(gòu)所吸引,翻涌而上、蜿蜒而下的沙丘美得動人心魄,形成美輪美奐的山脊。對一個遙遠(yuǎn)的觀察者來說,這可能是一片單一的固體,只在不知不覺中隨時間的推移變換形態(tài)。而對于物理學(xué)家來說,它們可以是時空的模型。 ○ 死亡谷連綿起伏的沙丘看似平滑,但實際上是由無數(shù)顆的沙粒組成的。| 圖片來源:Brocken Inaglory/Wikimedia Commons 物理學(xué)家巴格諾爾德(Ralph Bagnold)是最早陳述一個任何游客都能清楚看到的事實的人:這個巨大的結(jié)構(gòu)是由無數(shù)微小的沙粒組成的。他畢生致力于完善沙丘基于顆粒而非流體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述,并對許多沙丘表面的波紋特征做出了正確的解釋。 在愛因斯坦著名的廣義相對論中,時空通常被認(rèn)為是完全光滑的,只是偶有彎曲之處。但一些物理學(xué)家認(rèn)為,在最小的尺度上,時空可能是顆粒狀的。和巴格諾爾德一樣,這些物理學(xué)家也超越了對光滑的大尺度結(jié)構(gòu)的觀測,分析每一個微小顆粒的效應(yīng)。盡管這類觀點(diǎn)還不是物理學(xué)界的主流,但最近一篇發(fā)表在《物理評論快報》上的論文暗示,顆粒狀時空有可能(且僅限于可能)解決當(dāng)今天文學(xué)中最緊迫的兩個問題。 第一個問題是廣義相對論和量子力學(xué)這兩個數(shù)學(xué)框架之間的不一致性。廣義相對論通過引入扭曲的時空來描述質(zhì)量和引力的行為,而量子力學(xué)關(guān)注的則是微小粒子的行為。這二者在各自的機(jī)制范圍內(nèi)都運(yùn)行得出奇的好,但當(dāng)出現(xiàn)一個在非常小的空間內(nèi)擁有非常大的質(zhì)量的系統(tǒng)時,問題就出現(xiàn)了,比如在大爆炸時,再比如在黑洞的中心。在那些地方,這些理論就被瓦解成了數(shù)學(xué)上的亂碼,常常相互矛盾。物理學(xué)家正在尋找一種能把廣義相對論和量子力學(xué)結(jié)合起來的“大一統(tǒng)理論”,盡管他們已經(jīng)提出很多不同理論,但目前仍沒有哪個理論能令人完全滿意。 第二個問題是宇宙的膨脹。早在約一個世紀(jì)之前,我們就已經(jīng)知道星系之間的空間在快速增長,但直到幾十年前,天文學(xué)家才意識到這種增長實際上在加速,這讓科學(xué)家大為震驚。按道理說,在具有吸引力的引力作用下,宇宙膨脹的速度應(yīng)該是要減慢的。就比如扔向空中的蘋果在反向回落之前會減速一樣,因此按天文學(xué)家預(yù)計,宇宙不應(yīng)該加速膨脹,而是減速。為了解答這個難題,物理學(xué)家作出了他們能想到的唯一合乎邏輯的事,那就是在數(shù)學(xué)公式中添加了一個額外的項,以此抵消引力的影響,并給它取名為——暗能量。雖然暗能量在宇宙中占70%的比重,但沒有人知道什么是暗能量,也沒有人知道它為什么存在,這是一個被稱為暗能量之謎的難題。 這是物理學(xué)中最突出的兩個問題。許多杰出的大腦已經(jīng)著手開始發(fā)展可用來解釋這些謎團(tuán)中的一個或兩個的候選理論,但目前沒有任何一個能被科學(xué)界完全接受。然而在這些理論中,某些概念往往會反復(fù)出現(xiàn)。法國馬賽第一大學(xué)的物理學(xué)家Alejandro Perez說:“這些理論都是候選理論,是嘗試性的,它們存在很多仍懸而未決的問題。但是,它們都有一個共同的觀點(diǎn),那就是時空可能是離散的?!?/span> 在大統(tǒng)一理論的眾多候選中,量子引力是其中的一種可能性,根據(jù)量子引力的一些變體來看,空間是由數(shù)量大到驚人的微粒狀實體組成的,每一個微粒的尺度大小為10?3?米(普朗克長度)。當(dāng)物質(zhì)在時空中運(yùn)動時,它會從一個粒子跳到另一個粒子,不存在所謂的“介于兩者之間”的東西。與這種粒子結(jié)構(gòu)相比,其他物質(zhì)都是如此之大,以至于只能看到明顯平滑的大尺度時空曲率,但這樣只是看到了整個圖景的一部分——就像研究沙丘時不考慮每一粒沙粒的效應(yīng)那樣。 ○ 物理學(xué)家認(rèn)為時空是一個連續(xù)的實體,在存在物質(zhì)的情況下會發(fā)生扭曲。然而,時空很可能是顆粒狀的,而不是光滑的。| 圖片來源:Johnstone/Wikimedia Commons 想象一下,你沿著沙丘的砂質(zhì)地表騎著自行車前行,如果在某個時刻停止踩踏板,那么自行車很快就會停下來,因為自行車的動能在慢慢流失,轉(zhuǎn)化為熱能和聲能,轉(zhuǎn)移到周圍的空氣和沙子之中去。同樣的道理,如果時空也是顆粒狀的,數(shù)學(xué)計算表明,少量的能量會從物質(zhì)中轉(zhuǎn)換出來,那么它就開始表現(xiàn)得完全像暗能量一樣。 當(dāng)然,這個理論存在一個明顯的問題:如果能量在時空中“喪失”,我們難道不會注意到嗎?所有的物理學(xué)都是建立在能量不能消失的概念之上的,我們稱這個概念為能量守恒。從技術(shù)上講,這個理論并沒有廢除能量守恒,因為能量只是轉(zhuǎn)化了,但事實是它會從我們的測量中消失。在最近的一篇論文中,Perez與墨西哥國立自治大學(xué)的Daniel Sudarsky試圖通過一系列數(shù)量級的計算來闡明這個問題。 首先他們推斷,只有在非常小的尺度上,時空才會是顆粒狀的,這比我們期望能測量的尺度要小得多。這樣的顆粒結(jié)構(gòu)造成從物質(zhì)中轉(zhuǎn)移出來的能量也必然是極小的。他們還計算出,能量損失與密度的平方成正比;由于現(xiàn)代宇宙相對稀疏,因此目前的能量損失是很小的。根據(jù)計算,整個地球需要耗費(fèi)1千萬年的時間,才能通過這個過程失去僅相當(dāng)于一個電子質(zhì)量的能量!目前的技術(shù)還遠(yuǎn)無法測量如此微小的效應(yīng),因此研究人員不可能在實驗室中進(jìn)行測量。 但是,微小的效應(yīng)可以累積成更大的效應(yīng)。Perez和Sudarsky把從宇宙大爆炸之后的10?11秒開始,到現(xiàn)在為止的宇宙中已經(jīng)消失的所有能量加在了一起。在理論上,我們對時空的粒狀性質(zhì)知之甚少,有的只是一些線索。而Perez和Sudarsky就是利用這些線索,通過引入一個編碼理論不確定性的參數(shù),估算出了結(jié)果的數(shù)量級。 令人興奮的是,他們的結(jié)果顯示,通過這個機(jī)制失去的能量,與現(xiàn)如今在宇宙中觀測到的暗能量是相吻合的!如果這個結(jié)果真的正確,那么這將是第一個可觀測的量子引力表現(xiàn)。不僅如此,它還將解開暗能量之謎——用一個美麗的理論解決兩個難懂的理論。 當(dāng)然,這一切仍只是猜測。Perez認(rèn)為還需對這個理論展開更多的研究工作,這樣就有可能發(fā)展出可測試的預(yù)測。他特別感興趣于黑洞這個在奇點(diǎn)處具有無限密度的天體。這是否意味著這些區(qū)域正在以無限大的速率產(chǎn)生暗能量?對于這個問題,Perez表示他無從知道答案。但是,如果天文學(xué)家在黑洞周圍發(fā)現(xiàn)了更高濃度的暗能量,那么就將有可能成為支持這一理論的一個觀點(diǎn)。 雖然,將這個想法變?yōu)橛钪婺P偷囊徊糠诌€有很長的一段路要走,但它真的非常有趣。Perez思考問題的角度是從普朗克提出的能量的量子化假說出發(fā)的,這是一個直到多年以后,人們才清楚理解它所蘊(yùn)含的含義的假說。目前,我們并不真正理解普朗克尺度下的物理,但或許這只是時間的問題。 原文鏈接:http://physicsbuzz./2019/07/the-sands-of-spacetime-researchers.html
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