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每当有人尝试着测量大小接近普朗克长度(l普朗克≈1.6·10-35米)的事物时,快速估算都能告诉他的确如此。换言之,没有物理实验能分辨出比普朗克长度更短的距离。因此,这的确是具有物理意义的最小的距离。同样地,世界上也应该有一个具有物理意义的最短的时长,即普朗克时间(t普朗克≈5.3·10-44秒)。如果你听说过芝诺的“阿基里斯与龟”的悖论,你就会明白上述结论可以解决这个有上千年历史的谜题!

胜出的候选人:圈量子引力

弦理论追求的是将引力与其他三种基本力合并。只不过在这里,空间和时间仍然被当成一座固定的舞台,人们依然希望能解决20世纪七八十年代物理学家提出的毫无意义的公式问题。我们将在相应的章节中对此进行详细介绍。在本节,我们想聊的是近些年比较吸引大家的另一个研究领域:圈量子引力。

圈量子引力的一个基本观点是,空间不是点的连续体,而是由空间的量子即节点组成的。这些节点连接在一起,形成了一个巨大的网状结构。一个物质粒子并非可能存在于任何地方,而只能处在这些节点之上。然而,交换玻色子只能位于连接两个节点的链接上,因为它描述了物质粒子从一个节点跳到另一个节点时感受到的力量。

空间不是一个“事物运动的空间”,而是一个“事物运动的网络”,这恐怕很难想象。这个网络(也叫“自旋网络”)不应该被视为存在于空间的某处,而应该被视为空间本身!就像你在强大的显微镜下看一张桌子时可以看到的原子,它们并非铺在桌子上,它们就是桌子!

是时空泡沫,而并非时空?

于是,理论物理学家开始计算这个观点的结果,得到了相当惊人的发现:一个链接的长度,即两个节点之间的距离,不能取任意值,而是量子化的。换言之,世上存在一个最小的非零长度,和人们认为量子引力理论中的情况一样!而且这个长度的确大致(虽然不是完完全全)与普朗克长度相等。

这个发现非常令人振奋,但到目前为止,我们只描述了空间。那时间呢?二者不应该是相互关联的吗?是的,它们的确如此:三维网络的确可以随着时间的变化而变化,扫出一个叫作“时空泡沫”的四维结构。之所以叫这个名字,是因为随着时间变化,一维链接在时空中形成二维面,这些面与不同的线短暂接触,仿佛肥皂泡的薄膜一样。

所以在这个理论中,空间是离散的,但时间也是离散的吗?是的,不过看起来时空泡沫描述的是这张网的连续变化,但长度、面积、体积等几何属性只在不连续的阶段中变化。而除了物理属性的变化,时间还意味着什么呢?因为变化发生在不连续的阶段,所以时间也是在不连续的阶段中前进的。

圈量子引力的概念很吸引人,看起来很有研究前景。可叹的是,截至本书创作之时,该概念的方程还极少有实际解法,因为其涉及的数学运算非常非常复杂。不过,关于大爆炸时发生的事情,我们得到了一些非常喜人的中间结果。所以请大家持续关注!

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