宇宙解码 - 在量子宇宙中,空间和时间可能是连续的,而不是离散的

上一篇(左方向键) 下一篇(右方向键) 回目录(回车键) 粗体(B键)  正常(N键) 随机浏览(S键)   浏览次数:26    发布时间:2020/1/16 4:23:32   出处:宇宙解码   

  如果想了解宇宙在基本层面上是由什么构成的,我们的本能会把它分成越来越小的区块,直到我们能把它分割得不能再分割。在宏观世界中,我们观察、测量或以其他方式与之相互作用的许多事物是由较小的粒子构成。如果我们充分理解了作为现实基础的最基本实体,以及支配它们的规则,我们应该能够理解和推导出在复杂、更大的世界中看到的规则和行为。

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  图注:我们通常将空间可视化为 3D 网格,即使当我们考虑时空概念时,这是一个依赖于帧的过度简化。空间和时间是离散的还是连续的,以及是否有最小的长度尺度的问题仍然没有答案。然而,我们知道,在普朗克距离尺度之下,我们无法准确预测任何事物。

  
对于我们所理解的物质和辐射,有非常好的证据表明,我们曾经能够观察到或测量的每一件事可量子化。有基本的、不可分割的和携带能量的量子,构成我们所知的物质和能量。但量子化并不一定意味着离散,可以是量子的,也可以是连续的。空间和时间是什么?以下是我们将如何找出答案。

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  图注:所有无质量粒子以光速传播,包括光子、胶子和引力波,它们分别携带电磁、强核和引力相互作用。我们可以把每一个能量量子都视为离散,但是我们能否对空间或时间本身做同样的事还不得而知。

  当我们看我们对宇宙的描述,它由什么构成,什么法则和规则支配它,发生什么相互作用,很显然,没有哪一个计算可以包含所有宇宙。量子宇宙的规则支配着非常非常小的世界,将电磁和核(弱和强)力描述为量子粒子和量子场之间的相互作用。

  如果有一包含能量的物质或辐射系统,如果我们在一个足够小的尺度上观测它,我们会发现它可以分解成单独的量子:能量包表现为波或粒子,这取决于它们与什么相互作用,以及如何相互作用。尽管每个系统都必须由单个量子组成,具有质量、电荷、自旋等属性,但并不是每个量子系统的每个属性都具离散特性。

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  图注:能级差异图,请注意,只有特定的离散能级是可以接受的。虽然能级是离散的,但电子的位置不是离散的。

  离散意味着我们可以将某物分成一个局部的、不同化的部分,这些部分本质上是彼此独立。离散的对应项是连续的,没有这样的划分。例如,如果我们拿一个导电带,我们可以问一些关于电子占据的能量级以及电子的物理位置的问题。令人惊讶的是,能量级是离散的,但电子的位置不是离散的;在这个频带内,它可以在任何地方。即使某些东西基本上量子化,但并不是所有关它的东西都必须离散。

  现在,让我们尝试将引力折叠到混合中。可以说,在最大的尺度上,宇宙中唯一的重要力,引力没有自我一致的量子描述。我们不知道量子引力理论是否存在,尽管我们通常认为它确实存在,我们只需要找到它。

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  图注:量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学相结合。经典引力的量子校正被形象化为循环图,如此处以白色显示。空间(或时间)本身是离散的还是连续的尚未确定,引力是否量子化的问题,或者我们今天所知道的粒子是否基本的问题。但是,如果我们希望对一切事物都有一个基本的理论,它必须包括量子化的领域,而广义相对论本身并不能做到这一点。

  假设量子引力存在,我们可以问一个后续问题,它将阐明宇宙的一个非常基本的属性:空间和时间是离散的还是连续的?是否有微小的、不可分割的空间块,它们存在于一些小尺度上,不能再分割,粒子只能从一个"跳"到另一个?时间是否能分解成均匀大小的块,一次通过一个离散的"瞬间"?

  信不信由你,空间或时间可以量化的想法不是爱因斯坦首先提出的,而是海森堡。海森堡著名的不确定原理,从根本上限制了精确测量位置和动量、能量和时间或两个垂直方向的角动量等数量对的测量方式。如果你试图计算量子场理论中的某些物理量,预期值会分化,或者去无穷大,这意味着他们给出了无稽之谈的答案。

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  图注:在量子水平上位置和动量之间的固有不确定性之间的例证。同时测量这两个数量是有限制的,因为将这两个不确定因素相乘可以产生一个必须大于特定有限量的值。当一个被更准确地知道时,另一个就不太能够以任何有意义的准确性被知晓。

  但是,在注意到这些分歧是如何发生,他意识到有一个潜在的解决方法:如果假设空间不连续,而是有它固有的最小距离尺度,这些非物质的无穷性就会消失。用数学和物理的术语来说,没有最小距离尺度的理论属于不可再规范化的理论,这意味着我们不能将所有可能的结果的概率加起来,形成一个整体。

  然而,在最小距离尺度下,所有那些来自早期无意义的答案突然变得有意义:量子场理论现在完全可以重新规范化了。我们可以理智地计算事物,并获得实际有意义的答案。要理解原因,想象一下,取一个我们理解的量子粒子,并将其放在一个盒子里。它就像粒子和波一样,但必须始终被限制在盒子内。

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  图注:如果将粒子限制在空间内,并尝试测量其属性,则量子效应将与普朗克的常数和框的大小成正比。如果框非常小,低于一定的长度尺度,这些属性变得无法计算。

  现在,我们决定问这个粒子的一个关键问题,"它在哪里?" 我们通常会回答通过测量来确定这个粒子的位置,这意味着导致另一个量子的能量与你放在盒子里的能量相互作用。你会得到一个答案,但这个答案也有它固有的不确定性:与?/L 成正比,其中 ?是普朗克常数,L 是框的大小。

  在大多数情况下,我们处理的框比我们实际感兴趣的其他距离刻度大,因此即使? 较小,分数 =?/L(如果 L 较大)甚至更小。因此,与得到的测量答案相比,不确定性通常很小。

  但如果L很小呢?如果 L 太小,不确定性项 "?/L"大于答案项,该怎么办?在这种情况下,我们通常忽略的较高阶术语,如 (?/L)^2、(?/L)^3 等,不能再被忽略。修正变得越来越大,并且没有明智的方法来解构问题。

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  图注:我们在宇宙中与之交互的物体范围从非常大的宇宙尺度到大约10^(-19)米,最新的记录是由LHC创下的。热大爆炸达到的尺度,或者普朗克尺度(大约10^(-35)米),还有很长的路要走(在大小)和上升(能量上)。

  但是,如果您不将空间视为连续的,而是离散的,则对于事物的尺寸有一个较低的限制:对允许制作 L(框体大小)的大小的有效限制。通过引入截止比例尺,我们可以限制自己使用低于特定值的 L。像这样施加最小距离,不仅解决了一个太小的盒子的病态情况,而且为我们省去了许多头痛,否则当我们试图计算量子宇宙如何行为时,这些头痛会困扰我们。

  在20世纪60年代,物理学家奥尔登·梅恩证明,将爱因斯坦的引力添加到量子场理论的正常组合中,只会放大位置所固有的不确定性;因此,它变得不可能理解的距离短于一个特定的尺度:普朗克距离。在大约10-35米以下,我们可以执行的物理计算给出的答案毫无意义。

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  图注:越来越小的距离尺度揭示了更基本的自然观,这意味着如果我们能够理解和描述最小的尺度,我们就可以建立理解最大的尺度方法。我们不知道"空间块"的面积是否有下限。

  然而,爱因斯坦的引力理论是一个纯粹的经典引力图,因此有许多物理系统无法描述。例如,当一个电子(带电的、巨大的、旋转的能量量子)通过双缝时,它就像同时穿过两个狭缝一样,并干扰自身。当那个电子穿过那个双缝时,它的引力场会发生什么?

  爱因斯坦的理论不能回答它。我们假设量子引力理论存在,但我们不知道这个理论是否也需要距离尺度的截止。海森堡最初的论点来自于试图重新规范化恩里科·费米的原始β衰变理论;电弱理论和标准模型的发展消除了对离散最小长度的需求。也许,有了量子引力理论,我们不需要最小长度尺度来重新规范化我们的所有理论。

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  如今,费曼(Feynman )图表用于计算跨越强力、弱力和电磁力的每个基本相互作用,包括在高能和低温/浓缩条件下。粒子和场在量子场理论中都进行了量子化,β衰减在没有最小长度尺度的情况下进行。也许量子引力理论将消除所有量子计算中最小长度尺度的需要。

  现在,以我们今天的理解,来展望未来,空间和时间的基本性质有三种可能性。

  空间和时间是离散的。有一个最短的长度刻度,它有一定的值。这种可能性令人兴奋,因为它有助于量子场理论的重新规范化,但它给相对论带来了巨大的问题。想象一下,我们把一个假想的标尺精确到最小允许的长度。现在,我们的朋友移动相对于标尺,而我们自己保持静止:因为我们和我们的朋友参考了不同的测量标尺长度,从而,出现了该现象。除非你愿意违反一些重要的东西,如洛伦兹不变,这种可能性就会产生大问题。

  空间和时间是连续的。也许我们今天与引力相关的每一个"问题",都只是没有完整的量子宇宙理论的产物。也许空间和时间是连续的实体:量子本质,但无法被分解成基本单位。就像物质中电子的带状结构一样,也许宇宙的结构也是连续的。

  我们永远不会知道,因为我们的分辨率有一个基本的有限极限。真实和基本的东西并不总是等同于测量设备所能揭示的内容。如果空间连续,但我们观测或测量空间的能力有限,则在一定距离尺度以下出现"模糊"。我们无法确定它是连续的还是离散的,只要低于一定长度尺度,其结构无法分辨。

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  图:光穿过色散棱镜,分离成清晰的单颜色,是当许多中高能光子撞击晶体时发生的情况。如果我们用单个光子击中这个棱镜,并且空间是离散的,晶体只能移动离散的、有限的空间步长。

  
值得注意的是,我们可以进行一些不同的测试,以确定引力是量子力,以及空间本身是离散的还是连续的。雅各布·贝肯斯坦逝世前三年,他提议通过一个晶体传递一个单光子,这将产生动量,并使晶体轻微移动一定量。通过持续调谐光子能量,我们可以检测出晶体移动的"步长"是离散还是连续,以及是否有一个阈值,低于这个阈值晶体根本不会移动。

  此外,我们最近已经开发出一种将纳米尺度的物体带入量子态叠加能力,其精确能级取决于总的引力自能。一个足够敏感的实验对引力是否被量子化(或不被量子化)非常敏感,当技术和实验技术取得必要的进展时,我们最终将能够探测量子引力的状态。

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  纳米级原子盘能级,以及自引力效应(右)或不会(左)影响这些能级的特定值。该盘的波函数,以及它如何受到引力的影响,可能导致第一次实验测试引力是否是真正的量子力。

  在广义相对论中,物质和能量告诉空间如何弯曲,而弯曲的空间告诉物质和能量如何移动。但在广义相对论中,空间和时间是连续的,是非量子化的。众所周知,所有其他力在性质上都已量子化,需要量子描述来匹配现实。我们假设并怀疑引力也能被量子化,但我们不确定。此外,如果引力最终被量子化,我们不知道空间和时间是否保持连续,或者它们是否从根本上离散。

  量子并不一定意味着每个属性都分解成不可分割的块。在传统的量子场理论中,时空是各种量子发挥作用的舞台,这一切的核心应该是量子引力理论。除非我们能够确定空间和时间是离散的、连续的、还是不可避免的模糊,否则我们就无法在基本层面上了解我们的宇宙的本质。

  

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