時空原子 撰文／斯莫林（Lee Smolin） 翻譯／林世昀 物質的顆粒性早就不是新聞，近幾十年來，物理學家與數學家問的則是：空間是連續的？還是更像一張由一條條纖維所編織而成的布料呢？ 過去16年來，一個叫做「環圈量子重力」（loop quantum gravity）這個名字古怪的理論，預言時間和空間確是由離散的單元組成的。 當小量子遇上大重力 量子力學的理論是在20世紀的前四分之一所奠立的，對於原子、組成原子的基本粒子與作用力，量子理論皆成功預測了它們的性質與行為，它也建構了我們了解化學、原子與次原子物理、電子學甚至生物學的基礎。 理論的大漏洞 1980年代起，我和幾位教授開始尋找不必假設空間平滑且連續，就能做計算的方法。我們發展出一套數學語言，讓我們得以判定空間是連續的還是離散的，從這個計算顯示，空間是量子化的。「環圈」一詞，是從理論中一些計算裡所牽涉到、用以標示時空的環圈而來的。環圈量子重力理論預測，空間就像原子一樣：在測量體積的實驗中，我們只會得到一組離散數字的集合，體積由獨立的小塊組成。 空間是由一堆小方塊，還是小圓球所組成的？答案是：都不是，但我們還是可以畫出代表體積與面積量子態的圖示。可以想像我們有一塊形如正立方體的空間，我們以一個點來描述這個正立方體，它代表一個體積元，還有六條線向外伸，每條代表正立方體的一個面。 接著，假設我們在正立方體的頂面擺一個金字塔。這兩個共用同一個面的多面體，就用兩個點（兩個體積元）和兩點之間連結的一條線（代表兩個多面體鄰接的面）來表示。正立方體還有其他五個面露出來（五條向外伸的線），金字塔則有四個（四條向外伸的線）。 有些用奇怪方式連接的圖，並不能轉換成整齊的多面體圖案。比如說，要是空間是彎曲的，我們用任何畫法都不能把一堆多面體適當地嵌合在一起，可是，我們還是很容易把圖畫出來。的確，我們可以拿出一個圖，然後由它算出空間的扭曲程度。由於空間的扭曲就是重力的來源，這些圖示便構成了重力的量子理論。 一步一滴答 我們並沒有辦法考察這個尺度下的時空，來直接地驗證這個理論。這個尺度實在太小了。所以，我們要怎樣來檢驗我們的理論呢？一個重要的檢驗是，我們能否從環圈量子重力導出一個近似理論，而它就是古典廣義相對論？ 在過去幾年裡，已經有一些年輕學者，想出靠的是光在穿越宇宙時的傳播過程。當光穿過介質時，它的波長會受到一點扭曲，而導致一些偏折（就像光穿過水面所產生的效應）或是不同波長的色散效應。這些效應在光和粒子穿過自旋網絡所描述的離散空間時，也會發生。 離散時空的另一個可能的效應，牽涉到極高能量的宇宙射線。30多年前，就曾有學者預測，宇宙射線中能量超過3×1019電子伏特的質子，會被充塞於空間中的微波背景輻射所散射，因此永遠到不了地球。 啊，宇宙！ 環圈量子重力除了能夠為高能宇宙射線等特定現象做出預測之外，它也打開了一扇窗口，透過它，我們可以深入研究關於宇宙起源這類的宇宙學問題。我們可以用這個理論來研究大霹靂發生之後那最早的一瞬間。 還有一個同樣深刻的問題，是關於「宇宙常數」─瀰漫整個「空」間的正或負的能量密度。最近對於遙遠超新星以及宇宙微波背景輻射的觀測，強烈顯示這個能量的存在，而且是正的，這會加速宇宙的膨脹。 還有許多懸而未決的問題，正等著環圈量子重力來回答，有些是技術上的問題尚待釐清。環圈量子重力在物理的發展中佔有一個非常重要的位置，它可說是廣義相對論的量子理論，它明顯偏離傳統的部份，乃是由理論本身的數學中浮現，而非外來的特設假定。 然而，我所有的討論都是就理論上而言。就算有了我在這裡描述的一切，我們可能還是會發現，不管觀察的尺度有多小，空間實際上仍是連續的。那麼物理學家就必須要轉向更根本的假定了。   *文章由《科學人》雜誌提供，看更多獨家訂閱優惠 ..