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時間遭遇空前危機：在量子世界，時間沒有意義？( 二 )

科普小知識量子力學物理學家量子引力廣義相對論


Kucha假設的時鐘不像日常生活中的時鐘那樣 ， 遠遠地“躲”在角落不受周圍事物的影響；而是將作為不可或缺的部分 ， 被置于量子引力發生作用的微小、密集的系統中 。 這一內置變量有其局限性：該時鐘會隨系統的變化而變化——所以為了記錄時間 ， 就不得不解決這些耦合問題 。 某種程度上說 ， 這就好比當你每次想要看時間時 ， 都得先拆開腕表并檢查其工作狀態 。
【時間遭遇空前危機：在量子世界，時間沒有意義？】關于這種特別的時鐘 ， 最容易想到的就是簡單的“物質鐘” 。 Kucha指出 ， “這當然是我們自古以來一直在用的時鐘 。 現在我們周圍所有的時鐘都是由物質組成的 。 ”究其根本 ， 傳統的時鐘就是選擇一套粒子或一種液體材料媒介 ， 再記錄其變化 。 不過Kucha借助紙筆 ， 從數學上將物質鐘引入量子引力領域 ， 那兒的引力場極強 ， 同時概率性的量子力學效應開始出現 。
不過Kucha表示 ， 當你冒險進入該領域時 ， “物質會變得越來越稠密” 。 它是這種極端環境下 ， 任何可能用作物質鐘的材料的致命弱點；這些材料最終都會被碾碎 。 這一點可能從一開始就很明顯 ， 但Kucha需要準確得知物質鐘被破壞的機理 ， 以便更好地理解這一過程并設計新的數學工具來構造他假想的時鐘 。
更有望用作量子時鐘的是空間自身的幾何特性：當嬰兒宇宙膨脹或黑洞形成時 ， 監測時空的曲率變化 。 Kucha猜測這一特性即使在量子引力產生的極端環境中也能探測到 。 膨脹中的宇宙為這一機制提供了最簡單的例證 。 將嬰兒期的宇宙想象成一個不斷膨脹的氣球 ， 一開始其表面彎曲得非常厲害 ， 隨著氣球越來越大 ， 其表面的曲率變得越來越小 。 Kucha解釋說：“這一變化著的幾何特性使得你能夠辨明你所處的瞬間 。 ”換句話說 ， 這種幾何特性可以被當作一種時鐘使用 。
不幸的是 ， 迄今為止Kucha研究過的各類時鐘針對同一系統分別得出了不同的量子表述和預測 。 Kucha解釋道：“將任何一種時鐘置于時空中 ， 都可以拿來計算量子力學并得到的相對應的結果 。 但一旦你換了一種時鐘 ， 比如基于電場的 ， 就會得到完全不同的結果 。 現在很難評判其中哪個是對的 ， 亦或兩者均不正確 。 ”
不止如此 ， 選用的時鐘最后還必須不能被碾碎 。 量子理論認為空間被分割的程度存在一個極限 。 能夠想象的時空量子顆粒最小直徑是10-33 厘米 ， 也就是普朗克長度 。 在這個無限小的尺度內 ， 時空曲率變得跳躍且不連續 ， 時間和空間都開始離散化 ， 并隨著“不確定性泡沫”時隱時現 。 正如物理學家Paul Davies在《關于時間》（About Time）這本書中所寫的 ， “你必須想象所有可能的幾何結構——所有可能的時空 ， 空間扭曲和時間扭曲交織在一起形成一種復合體 ， 或者說是‘泡沫’” 。
只有充分發展的量子引力理論才能展示在如此小的時空尺度下所發生的一切 。 Kucha推測 ， 目前廣義相對論中一些尚未發現的性質在這個尺度下不會發生量子漲落 ， 而有可能是連續的 。 如果這一猜想成立 ， 該性質便能夠用作Kucha一直以來在尋找的時鐘 。 Kucha懷著這樣的希望繼續探索著一個又一個可能 。
忘記時間
Kucha一直嘗試借助一種時鐘將廣義相對論嵌入量子力學框架中 。 但許多研究廣義相對論的物理學家卻認為應該反過來考慮——將量子力學融入廣義相對論 ， 把時間作為一個維度來考慮 。 法國理論物理中心的物理學家Carlo Rovelli便是擁護者之一 。
“忘掉時間吧 ， 它只是一個簡單的實驗事實 。 ”Rovelli表示 。 他致力于找出不需要時間的量子引力理論 。 為了簡化計算 ， 他和同事Abhay Ashtekar、Lee Smolin一起建立了一個不需要時鐘的理論空間 。 借助于此 ， 他們使用了一套新的變量改寫愛因斯坦的廣義相對論 ， 以便更容易地理解和適應量子尺度 。

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