讓時間和空間分家吧——愛因斯坦的時空理論也許將被推翻

讓時間和空間分家吧——愛因斯坦的時空理論也許將被推翻
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我們想讓你知道的是

牛頓對了、愛因斯坦錯了嗎?如果剖開時空的結構、回頭聆聽19世紀對於時間的看法,我們得到的是量子重力論。

撰文:梅拉里(Zeeya Merali)
翻譯:宋宜真

牛頓對了、愛因斯坦錯了嗎?如果剖開時空的結構、回頭聆聽19世紀對於時間的看法,我們得到的是量子重力論。

過去數十年來,物理學家一直在為量子力學跟重力理論的結合而奮鬥,畢竟自然界中其他作用力的身世早已釐清且各就各位,例如電磁力就可以用光子的量子力學運動來描述。但是,若想以量子重力來描述兩個物體間的重力,馬上就會遇到困難:最後計算出來的解都是無限大。現在,美國加州大學柏克萊分校的物理學家侯拉瓦(Petr Hořava)認為他發現問題所在了:這一切都跟時間有關。

更確切來說,問題在於愛因斯坦的重力理論中(也就是廣義相對論),空間和時間是如何連結的。眾所皆知,愛因斯坦推翻了牛頓系統中絕對的時間觀(牛頓系統中,時間是穩定地在背景中滴答前進),並提出時間事實上是另一個維度,和空間緊密結合在一起,所形成的時空結構是會受到物質影響而彎曲變形的。問題在於,量子力學中,時間仍舊維持著牛頓力學系統中那種超然獨立的角色,是物質演出的舞台,而不會受到物質出現與否的影響。這兩種時間的概念是不相容的。

侯拉瓦表示,解決方式就是在非常高能量的狀態下,把時間跟空間斷開,一如受量子重力主導的早期宇宙。侯拉瓦說:「我回到牛頓的想法,將時間和空間視為不對等之物。」而在低能量狀態,廣義相對論便會從背景架構中浮現,將時間和空間重新縫合。

侯拉瓦以某些奇特物質改變相態的方式,來解釋廣義相對論的浮現。舉例來說,這就像低溫液態氦的性質會發生劇烈改變,形成一種不具摩擦力的「超流體」。他以各種詭異相態轉變的數學來建構他的重力理論,而且目前為止都還可行:其他理論在無限大之處都會遇到困難,但這個理論則否,而且能建構出運作得當的重力表現,也能符合電腦模擬出的量子重力。

Liquid_helium_Rollin_film
由I, AlfredLeitner, took this photograph as part of my movie "Liquid Helium,Superfluid" - 自己的作品,公有領域,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7741454
處於超流相的液氦,會在杯身內面向上緩慢攀爬,攀越過杯口,然後在杯身外面向下緩慢滑落,集結在一起,形成一滴液氦珠,最後滴落在下面的液氦裏。這樣,液氦會一滴一滴的滴落,直到杯子完全流空為止。

侯拉瓦的理論在2009年1月發表之後,等於為物理界打了一針強心劑。同年11月,物理學家在加拿大安大略省的滑鐵盧圓周理論物理研究所會面,主要是確認這個模型能否正確描述我們現今所看到的宇宙。當初就是愛因斯坦預測水星運動的準確度高於牛頓的重力理論,廣義相對論才大獲全勝。侯拉瓦的重力理論也能獲得一樣的成功嗎?目前的答案似乎是肯定的。葡萄牙里斯本大學的羅勃(Francisco Lobo)等人已經運用該理論,正確描述出行星的運動。

還有人對於侯拉瓦的重力理論做出更大膽的聲明,尤其是用來解釋大霹靂理論中的奇異點等宇宙學重大難題,因為物理定律在奇異點無法成立。加拿大馬吉爾大學的宇宙學家布蘭登柏格(Robert Brandenberger)於2009年8月《物理通訊評論D》的文章中表示,如果侯拉瓦的重力理論是正確的,那麼宇宙並非如大霹靂般炸開,而是反彈開來的。

他說:「充滿物質的宇宙將會收縮到一個很小(但有限的)體積,然後再反彈開來。」根據布蘭登柏格的計算,宇宙反彈所生成的漣漪,跟衛星已偵測到的宇宙微波背景輻射是相符的,而他目前正在尋找其中的特徵訊號,以區隔出反彈理論跟大霹靂理論。

日本東京大學宇宙學家向山信治則表示:侯拉瓦的重力理論還創造出一個「暗物質的幻影」。他在2009年9月的《物理通訊評論D》的文章中解釋,在特定情形中,侯拉瓦的重力會與一般物質交互作用而有所漲落,因此重力會比廣義相對論所預測的稍高。基於這個影響,星系實際包含的物質比能觀測到的要多。

此外,韓國國立全北大學的宇宙學家朴武仁(Mu-In Park)認為,能讓宇宙加速膨脹的動力,或許是侯拉瓦的重力,而不是現今所認定的神秘暗能量。朴武仁表示,對宇宙起源最重要的一項解釋,就是空無一物的空間其實有內在的能量去把宇宙往外推。這種內在能量並非來自於廣義相對論,而是從侯拉瓦重力方程式自然推導而來。

本文獲《科學人雜誌》、《科學人粉絲團》授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


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《沉默呼聲》
上映日期:2022.8.12
上映地點:全台戲院同步上映
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