2017/05/29,
讓時間和空間分家吧——愛因斯坦的時空理論也許將被推翻
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 Hoava）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。
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 |
