量子時空：物理世界最深層

2017年02月05日 蘋果日報

《Reality Is Not What It Seems：The Journey to Quantum Gravity》

在人類探究大自然的最前線，現代物理兩大支柱正在對決，關乎宇宙一切何來的終極問題。
過去四年間，物理學家相繼找到一直預言的「上帝粒子」和重力波。至此，由量子學說和相對論組成的基礎物理「核心理論」已通過實證的嚴格考驗。「我們可以肯定，量子場論是描述主宰日常生活的物理定律的正確論述框架，因而和人類存活攸關的粒子、力和交互作用都是量子場論推演所得。這一切我們已經全部發現。」Sean Carroll在《The Big Picture》中的宣言並沒有誇大，因為我們只在物理世界（reality）的表象中存活，不用觸及「時空何來」的懸案。
本來，時空就是宇宙最大的容器，一切存於其中，牛頓視為眾所周知。即使愛因斯坦的相對論發現時空和物質互相扭曲，體現局部地區的重力，亦毋須深究時空何來。要到半世紀前，在宇宙一切起始的大爆炸和黑洞，因為量子和相對論出現不可化解的矛盾，物理學家才不能不正視時間和空間的終極問題。

在核心理論的基礎深層，一切都由量子場的震盪生成。在這裏，各種物質和相互作用已被納入統一的量子學說，唯獨是重力。光子由電磁場震盪產生，在時空中運動；可是重力就是時空，重力場震盪生成的「重力子」如何在本身當中運動？要完成「大一統」，將重力納入量子學說，時空這「容器」本身亦是所載之物，科學家不能再視為先驗地存在，必須直視不可知的深淵。
科普迷都熟悉的弦論，就是以大一統為目標的「萬有理論（theory of everything）」。可惜，弦論經過最優秀的物理學家奮戰數十年，仍未有成果。不少人認為，卅年來專注於時空量子化的Abhay Ashtekar、Carlo Rovelli以及Lee Smolin等人所創的迴圈量子重力論（Loop Quantum Gravity, LQG）雖無大一統的野心，可能更有成效。
LQG先行者之一的Rovelli繼其暢銷小書Seven Brief Lessons on Physics後，剛出版新書《Reality Is Not What It Seems：The Journey to Quantum Gravity》。教授不諱言，科學家未知的，遠比所知的多，但尚在求學階段的LQG最少有望參加考試。當然，讀者不會有興趣明白理論細節，但比起建基於十多個維度以上的弦論，LQG很容易理解。只要有耐性，不難追隨作者生動的比喻，穿越表象世界。

最難打破的是與生俱來的宏觀世界圖象。按量子力學的測不準原理，要準確地為空間定位，必須安置高速物質於其中，來自其總能量的重力將同時扭曲這空間。定位越準確，空間越彎曲，終會形成連同時空一同吞噬的黑洞，斷破其連續性。因此，受制於量子力學和相對論，空間在極小的尺度必然顯現出顆粒性。
時空不但不可能連續，甚至必須消失於基礎深層。Rovelli以關係取代空間，關係的變化取代時間。在LQG的語言，空間是一個自旋（spin）網路，其節點與結連代表顆粒及之間的關係；自旋網路演變成為自旋泡沬（spin foam），形成有顆粒性的時間和空間。就這樣，時空由重力量子的互動和變化生成，容許重力在統一的數學框架下開展量子化，在毋須時空先驗存在的基礎重構宏觀世界。
原本只是舞台背景的時空，在量子重力一幕粉墨登「場」之後，更真實地存在。