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即使在量子宇宙中空间和时间也可能是连续的而不是离散的

2019-11-08 17:18:37来源:

如果您想从根本上了解宇宙是由什么组成的,您的直觉将是将其分成越来越小的块,直到无法将其进一步分割为止。我们在宏观世界中观察,测量或与之交互的许多事物都是由较小的粒子组成的。如果您充分了解了构成现实的最基本实体以及支配现实的法律,那么您应该能够理解和推导在复杂,更大的世界中看到的规则和行为。

就我们所了解的物质和辐射而言,有很好的证据表明,我们曾经能够观察或测量的每一件事在某种程度上都是量子。有一些基本的,不可分割的,携带能量的量子构成了我们所知道的物质和能量。但是量化不一定意味着离散。您也可以是连续的。哪些是时间和空间?这就是我们的发现方法。

当我们查看对宇宙?的描述时,它是由什么组成的,有哪些法律和规则支配着它,发生了什么相互作用,甚至是可能的?,您将无法进行计算以涵盖所有的一切。量子宇宙中有非常小的规则,将电磁力和核力(弱和强)描述为量子粒子和量子场之间的相互作用。

如果您有一个包含能量的物质或辐射系统,如果以足够小的规模对其进行检查,您会发现它可以分解为单个量子:能量包表现为波或粒子,具体取决于什么他们互动以及如何互动。即使每个系统都必须由单独的量子组成,并且具有质量,电荷,自旋等特性,但并不是每个量子系统的每个特性都是离散的。

离散意味着您可以将某些内容划分为本地的,彼此独立的不同部分。离散的对应项是连续的,没有这种划分。例如,如果您使用金属的导电带,则可以询问有关电子占据的能级以及电子在物理上位于何处的问题。出乎意料的是,能级是离散的,但电子的位置却不是。它可以在该频段内的任何位置连续进行。即使某种事物从根本上来说是量子的,但并非所有事物都必须是离散的。

现在,让我们尝试将重力折合。可以说,在所有最大规模的宇宙中,重力是宇宙中唯一的重要力量,它没有自洽的量子描述。我们不知道是否存在引力量子理论,尽管我们通常假定它存在并且仅需找到它即可。

假设存在,存在一个后续问题,我们可以提出一个问题,该问题将阐明宇宙的非凡基本特性:空间和时间是离散的还是连续的?是否存在微小的,不可分割的小块空间,它们存在着很小的规模,无法进一步分割,而粒子只能从一个“跳”到另一个?时间是否被分解成均匀大小的块,一次又经过一个离散的“即时”?

信不信由你,可以量化空间或时间的想法不只是爱因斯坦,而是海森堡。海森堡著名的不确定性原理从根本上限制了如何精确地测量某些成对的量,例如位置和动量,能量和时间或两个垂直方向上的角动量。如果您尝试在量子场论中计算某些物理量,则期望值会发散或变为无穷大,这意味着它们给出了无意义的答案。

但是在注意到这些差异是如何发生的之后,他意识到存在一个潜在的解决方案:如果您假设空间不是连续的,而是具有固有的最小距离尺度,则这些非物理的无限性将会消失。用数学和物理学的话来说,没有最小距离尺度的理论是不可重新归一化的,这意味着您无法使所有可能结果加起来的概率为1。

但是,使用最小距离尺度,所有来自早期的废话答案突然变得有意义:您的量子场论现在可以完全重新规范化了。我们可以明智地计算事物,并获得有意义的物理答案。要了解为什么,请想象一下拿一个您理解的量子粒子并将其放在盒子中。它既像粒子又像波浪,但必须始终局限于盒子内部。

现在,您决定问这个粒子的一个关键问题,“它在哪里?”您的回答方式是进行测量,这意味着使另一能量量子与放置在盒子中的能量相互作用。您会得到一个答案,但该答案也将具有固有的不确定性:与?/L成比例,其中?是普朗克常数,L是盒子的大小。

在大多数情况下,与我们实际感兴趣的其他距离尺度相比,我们要处理的盒子更大,因此即使small小,分数?/L(如果L大)也会更小。因此,与测得的答案相比,不确定性通常较小。

但是如果L很小怎么办?如果L很小,不确定项?/L大于答案项怎么办?在那种情况下,我们通常会忽略的高阶项,例如(?/L)2,(?/L)3等,将不再被忽略。更正越来越大,没有明智的方法来解构问题。

但是,如果您不将空间视为连续的而是离散的,则对可以得到的东西有一个下限:有效的限制,允许您将盒子的大小设为L。通过引入截止比例,可以限制自己使用低于特定值的L。像这样施加一个最小距离,不仅可以解决盒子太小的病理情况,而且还为我们节省了许多头痛,否则我们在尝试计算量子宇宙行为时会困扰我们。

在1960年代,物理学家奥尔登·梅恩(Alden Mean)证明,将爱因斯坦的引力添加到量子场论的常规混合中只会放大位置固有的不确定性。因此,变得不可能理解比特定比例短的距离: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是无意义的。

但是,爱因斯坦的引力理论只是对引力的经典描述,因此,它无法描述许多物理系统。例如,当一个电子(一个带电的,巨大的,旋转的能量量子)通过一个双缝隙时,它的行为就像是同时穿过两个缝隙一次并干扰自身一样。电子穿过该双狭缝时,其重力场发生了什么?

爱因斯坦的理论无法回答。我们假设那里有一个量子引力理论,但我们不知道该理论是否也需要距离尺度的截止。海森堡最初的观点来自试图(失败)重新规范恩里科·费米(Enrico Fermi)最初的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,借助引力量子理论,我们不需要最小长度尺度就可以对我们的所有理论重新进行规范化。

现在,我们展望未来,但要以今天的理解为基础,时空的基本性质存在三种可能性。

空间和时间是离散的。长度刻度最短,并且具有一定的值。这种可能性令人兴奋,因为它有助于重新规范量子场论,但对相对论提出了很大的问题。想象一下,您放下了一个精确的最小允许长度的假想标尺。现在,您的朋友在静止不动的情况下相对于标尺移动:双方都测量了不同的标尺长度,因此测量了不同的基本长度标尺。除非您愿意违反洛伦兹不变性这样的重要事物,否则这种可能性会带来很大的问题。

时空是连续的。也许我们今天与引力相关的每个“问题”都只是没有完整的量子宇宙理论的产物。也许空间和时间实际上是连续的实体:本质上是量子,但不能分解成基本单位。就像材料中电子的能带结构一样,也许宇宙的结构也从根本上是连续的。

我们永远不会知道,因为我们的分辨率有一个基本的,有限的限制。真实和根本的含义并不总是等同于测量设备可以揭示的内容。如果空间是连续的,但是我们查看或测量空间的能力受到限制,则在一定距离范围内,空间始终会“模糊”。我们将无法确定它是连续的还是离散的,只能确定在一定长度范围内,其结构无法解析。

值得注意的是,我们可以执行一些不同的测试来确定重力是量子力还是空间本身是离散的还是连续的。雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)死前三年,他建议使单个光子通过晶体,这将赋予动量并导致晶体轻微移动。通过连续调整光子能量,您可以检测到晶体移动的“步阶”是离散的还是连续的,以及是否存在一个阈值,低于该阈值晶体将完全不移动。

此外,我们最近开发了将纳克级物体带入状态的量子叠加的能力,确切的能级取决于总的重力自能。一个足够敏感的实验将对重力是否被量化敏感,并且当技术和实验技术取得必要的进步时,我们最终将能够探究量子引力的范围。

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。但是在广义相对论中,空间和时间是连续的且未量化的。已知所有其他力本质上都是量子力,因此需要对量子力进行描述才能与现实相匹配。我们假设并怀疑引力从根本上来说也是量子的,但是我们不确定。此外,如果引力最终是量子,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变得离散。

量子并不一定意味着每个属性都分解成不可分割的部分。在传统的量子场论中,时空是各个量子发挥宇宙作用的阶段。它的核心应该是引力的量子理论。在我们无法确定空间和时间是离散的,连续的还是不可避免的模糊之前,我们无法从根本上了解宇宙的本质。

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