物理

顛覆大霹靂—宇宙是反彈出來的?

我們的宇宙可能起源於由奇特的量子重力效應所驅動的大反彈——這表示大霹靂不再是宇宙萬物的起點了。

撰文/柏卓瓦(Martin Bojowald)
翻譯/李沃龍

物理

顛覆大霹靂—宇宙是反彈出來的?

我們的宇宙可能起源於由奇特的量子重力效應所驅動的大反彈——這表示大霹靂不再是宇宙萬物的起點了。

撰文/柏卓瓦(Martin Bojowald)
翻譯/李沃龍

重點提要


■ 愛因斯坦的廣義相對論說,宇宙源自於大霹靂奇異點,在那時刻我們所見的一切物質都聚集到密度無限大的奇異點上。但這理論並不具備完善的時空量子結構,因此我們無從得知物質緊密匯聚的極限與重力強度的範圍。物理學家需要一套新的量子重力論,才能明瞭究竟發生了什麼事情。


■ 根據其中一個可能的理論:環圈量子重力,空間可被細分為許多具有體積的「原子」單位。由於它們僅有有限的容量可儲存物質與能量,因此奇異點是無法真正存在的。


■ 若果真如此,時間就有可能往前推到大霹靂之前。大霹靂前的宇宙或許曾非常劇烈地收縮成具有極大密度的一點,然後反轉整個過程。簡單的說,就是由大崩塌導致大反彈,最後才變成大霹靂。


由於原子的概念在現代已經是老生常談,我們很難想像從前那曾經是個多麼荒誕不經的想法。幾個世紀前,當科學家第一次假設原子的存在時,他們絕望地認為這麼小的東西絕不可能觀測得到,甚至有許多人質疑原子這樣的概念是否合乎科學。不過,關於原子的證據逐漸累積,終於在1905年因為愛因斯坦分析了液體中微塵顆粒隨機跳動的布朗運動,達到了高峰。即便如此,物理學家仍然花了20年才發展出解釋原子的理論,也就是量子力學。又過了30年之後,物理學家米勒(Erwin Muller)才第一次利用顯微鏡觀察到原子的身影。今天,物理學各領域的發展,幾乎都奠基於物質原子的特殊性質。


物理學家對時間與空間組成的理解亦遵循著類似的途徑,但還未達到成熟的階段。正如同從物質的行為可看出它們是由原子構成的一樣,空間與時間的行為也暗示了它們具有某些細微的結構——可能是類似「時空原子」組成的馬賽克構造,或是某種網狀系統。物質原子是化合物不可分割的最小單位;同理,想像中的空間原子是距離上不可分割的最小單位,一般認為它們的大小只有大約10-35公尺,小到連當今最強大的儀器最低可探測到10-18公尺的距離,都無法看到它們。所以,許多科學家甚至質疑這種時空原子的概念是否合乎科學,不過,也仍有許多科學家不受影響,相繼提出間接觀測時空原子的方法。


看似最有希望的方式,與宇宙的觀測有關。如果能倒轉宇宙的時間,我們所見的星系會全都匯聚到一個無限小的點:大霹靂奇異點。愛因斯坦的廣義相對論預言宇宙在該點上具有無窮大的密度與溫度,一般認為這是宇宙的起點,物質、空間與時間從此誕生。不過,這種詮釋有些過頭了,因為無限大的數值代表廣義相對論本身在此失效。為了理解大霹靂時究竟發生了什麼事情,物理學家必須超越相對論,發展出一套能夠捕捉到時空細微結構的量子重力論,克服相對論完全無能為力的問題。


該結構的細節產生於太初宇宙的緻密環境下,從現今物質與輻射的分佈上或許能看出一些蛛絲馬跡。簡單地說,假如時空原子確實存在,將不會像物質原子一樣得花上好幾百年才找到證據,靠點運氣,我們或許在未來10年內就能知道此事的大致輪廓。


組成時空的「原子」


物理學家已經設計出一些量子重力的可能理論,每個理論都將量子原理以不同的方式應用在廣義相對論上。我的工作鎖定在環圈量子重力(簡稱「環圈重力」),那是在1990年代經過兩個步驟發展出來的理論。首先,理論學家以數學方法重新將廣義相對論公式化,讓它看起來很像古典的電磁理論;這理論就是因為類比於電場和磁場線而以「環圈」為名的。其次,依循某些與扭結數學相同的創新程序,將量子原理應用到環圈上。如此導出的量子重力理論,預測了時空原子的存在。


其他的理論,像弦論與所謂的「因果動力三角形」等,並沒有預測像這樣的時空原子,但認為有其他的方式可讓極短的距離成為不可分割的物理量。這些理論間的差異已引起了許多紛爭,但對我而言,它們之間的矛盾並沒有大到不可互補的地步。舉例來說,若想統一在微弱重力狀況下粒子間的交互作用,弦論是非常有用的38 理論。但若想分析在重力場強大的奇異點上究竟發生了些什麼事情,環圈重力的原子建構則更為有效。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第81期11月號】