主题：【原创】乱弹TG第一回:话说TG这次实验的心路历程 -- face888

如果令人称奇的圈量子引力理论是正确的话，时空实际上是以离散形式存在的。

在最近几十年中，物理学家和数学家想知道空间是否也由离散块组成的。它是连续的，就像我们在学校里学到的那样，还是更像一块布，由根根纤维编织而成？如果能探测到足够小的尺度，我们是否能看到空间的“原子”，它们的体积不能被分割成更小的形态？对时间来说，情况又怎样呢？自然界是连续变化的，还是世界以一系列微小的步伐来进化，就像数字计算机那样？

过去16年这些问题已经有了长足的进展。一个名字奇怪的 “圈量子引力”理论预言空间和时间的确是由离散部分构成。这个理论框架下的计算所揭示的图像简洁而优美。它加深了我们对黑洞和大爆炸等令人费解现象的了解。最棒的是它是可检验的。它预言能让我们探测到空间原子的实验在不久的将来可以实现，如果真存在空间原子的话。

量子引力的提出

我和同事在费力解决物理学中一个长期存在的问题：“是否存在提出量子引力理论的可能性”，从而发展了圈量子引力理论。为了解释为什么它是重要的问题，以及它与空间和时间的粒子性有什么关系，我必须先谈点儿关于量子理论和引力理论的东西。

在20世纪前25年，量子力学的理论已经用公式阐明，这是与证实物质由原子组成紧密相关的发展。量子力学的方程要求某些量，比如原子的能量，只能以特定、离散的单元存在。量子力学成功预测了原子、基本粒子以及组成它们的力的属性和行为。科学史上从未有理论比量子力学更成功。它奠定了我们了解化学、原子和亚原子物理学、电子学甚至生物学的基础。

在量子力学公式化的几十年里，阿尔伯特·爱因斯坦构建了他的引力理论——广义相对论。在他的理论中，引力的产生是空间和时间（统称时空）被存在的物质扭曲的结果。打个不准确的比方是将一个保龄球放橡胶膜上，同时有一个弹球在旁边滚来滚去。保龄球代表太阳和月亮，膜代表空间。保龄球在橡胶膜上造成一个深深的凹陷，凹陷形成的斜坡使弹球向较大的保龄球偏斜，就好像某个力（引力）向那个方向拉它。类似地，任何物质或能量聚集都会扭曲时空的几何构型，使其他粒子和光线向它偏转，这种现象我们称为引力。

量子理论和爱因斯坦的广义相对论已经分别被实验奇迹般地充分证实了。但还没有实验探索到两种理论都预测有明显效应的领域。问题在于量子效应在小尺度范围最为显著，而广义相对论效应需要大的质量，因而需要极其特殊的环境才能将二者结合在一起。

伴随这个实验数据空白的是一个很大的概念性问题：爱因斯坦的广义相对论是完全经典的，亦即非量子化的。物理作为整体逻辑上应该是一致的，必须有一个理论在某种程度上将量子力学和广义相对论结合起来。这个长久寻找的理论叫做量子引力论。因为广义相对论处理的是时空的几何构型，量子引力理论另外也是时空的量子理论。

物理学家已经提出了相当多的数学方法将经典理论转换成量子理论。许多理论物理学家和数学家已经着手将这种标准方法应用在广义相对论上。早期的结果令人灰心。二十世纪六七十年代进行的计算似乎表明量子理论和广义相对论不能成功地结合在一起。因此，看来需要一些新的基础性东西，比如没有包含在量子理论和广义相对论中的附加假设和原理，新粒子和场，或者新的统一性。也许通过适当的附加或者利用新的数学公式，可以发展出一个类量子理论，在非量子范围内成功近似出广义相对论。为了避免破坏量子理论和广义相对论的成功预言，除了量子理论和广义相对论都预期起明显作用的极端条件下，完整理论中的新事物不应该在实验中看到。沿着这个思路，试过很多不同的方法，比如扭子理论，非对易几何，超引力等的理论。

物理学家比较熟悉的一个方法是弦论，它假设空间除了我们熟悉的三个维度外还有六或七个维度，这些迄今都还完全观测不到。弦论也预言存在大量新的基本粒子和力，但迄今还没有可观测的证据。一些研究者认为弦论包含在称为M膜理论中[参见Michael J. Duff著“曾名‘弦’的理论”，《科学》，1998年5月]。不幸的是，一直没有给出这个推测得出理论的准确定义。因此，很多物理学家和数学家认为必须研究其他替代理论。我们的圈量子引力理论就是发展最完善的替代理论。

圈量子引力的内容圈量子引力理论预言空间就像原子一样：体积测量实验会得出一组离散数据。空间体积以离散块存在。我们可以测量的另一个量是边界B的面积。应用该理论的计算能得出了明确的结果：表面积也是离散的。换句话说：空间是不连续的，它只是以面积和体积的特定量子单元而存在。

圈量子引力的发展

圈量子引力在物理学的发展中占据非常重要的地位。它是可以论证的广义相对论的量子理论，因为它在量子理论和相对论基本原理之外，没有做任何额外假设。它不同寻常的出发点是提出了通过自旋网络和自旋泡沫描述不连续性的时空，这出自该理论本身的数学，而不是特别引入了假设。

尽管如此，我讨论的一切还都是理论性的。虽然有我在这儿描述的一切，真实空间仍然可能是连续的，无论我们探测的尺度多么小。物理学家可能必须转向更极端的假设，比如弦论。因为这是科学，最终实验会做出裁断。好消息是这个结论可能不久就会出现。