时间与空间的分离：霍扎瓦重力理论

伤我心太深

　　时间与空间的分离“霍扎瓦重力”理论

　　爱因斯坦推翻了牛顿关于时间与空间绝对独立的时空观，建立了时空纠缠不可分割的新理论。2009年有位美国物理学家却又提出，在能量非常高的条件下，也许人们要放弃爱因斯坦的时空观，而回到牛顿旧有的时空观上去。


　　物理学家一直困扰于如何想方设法与爱因斯坦的广义相对论保持一致。广义相对论描述了重力，而量子力学则描述了最小尺度下的粒子和力(不包括重力)，它们有关空间和时间的观点是相互矛盾的。按照量子理论，空间和时间是静态的背景，而粒子则处于运动之中。相反，在爱因斯坦理论中，不仅空间和时间密切相关，就是由此产生的时空结构也是由其内部的本体所构成。
　　量子理论和相对论存在冲突的明显之处是重力常数G(表述重力强度的量)。在太阳系或整个宇宙这样的大尺度下，广义相对论方程产生的G值与观察结果相符;但当缩小到非常小的距离时，广义相对论就不能无视时空的量子波动;而若将其一并考虑，则G的任何计算结果均显荒谬，不可能做出预测。





　　相对论和量子力学也有过比较成功的结合，那就是在涉及描述高速运动的粒子的时候。这种粒子一方面运动速度接近光速，必须考虑相对论效应;另一方面他们又是微观粒子，所以必须用到量子力学。物理学家为此发展出了一套叫做“相对论量子力学”的理论来描述这类粒子。按照相对论量子力学的思想，各种基本作用力都可以解释为传播力的粒子交换。好比两个人相互抛递一个球，借此发生相互作用一样。把引力解释成为物质之间传递一种叫做“引力子”的粒子时，却遇到前所未有的困难，计算中不时出现无穷大!这在物理学上是一个理论失败的标志。

　　美国物理学家彼得霍扎瓦提出一个大胆的理论“霍扎瓦重力”，认为要想建立满意的量子引力理论，人们应该放弃爱因斯坦的时空观，而回到牛顿旧有的时空分离的观念上来。

　　霍扎瓦的灵感来自于电子在石墨烯中的运动，石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料：只有一个碳原子厚度的二维材料。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为：热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，此发现立即震撼了凝聚态物理界。石墨烯有很多非常奇怪的性质，比如说在常温下电子在石墨烯中的运动远远低于光速(光速的1/300，已远超过电子在一般导体中的速度)，但是描述它的运动没有必要考虑相对论，只要用量子力学就可以了。




　　在这个例子中，常温下不考虑相对论并不是说在这种情况下相对论失效了。而当石墨烯的温度降到接近于绝对零度时，电子的运动速度竟有了意想不到的提高(有关资料认为石墨烯中的电子在一些情况下可以接近光速)，这时就不能不考虑相对论效应了。

　　霍扎瓦猜测，在量子引力发生作用的时候，相对论也许真的失效了，这个时候时间和空间完全分离开来。通过这一思路，霍扎瓦修改了爱因斯坦的引力方程，提出了大家梦寐以求的量子引力理论，而且计算中不会出现无穷大。如果这个新理论正确，那么爱因斯坦广义相对论就是霍扎瓦理论在低能条件下的近似了，这就像当初牛顿力学是相对论在远低于光速下的近似一样了。

　　在关于广义相对论和量子力学矛盾中，很多质疑越来越对爱因斯坦相对论不利。霍扎瓦正是从受到冷却到接近绝对零度单层石墨烯的启发，这时电子速度超高速运动。因为速度快，所以必须要用相对论来描述它们的现象。


　　霍扎瓦通过调整爱因斯坦方程来解释新的现象。相对论的主要思想之一是时空必须具备洛伦兹对称的属性，即对所有的观测者而言，光速始终不变，无论他们的运动速度有多快，时间的变缓和距离的缩短都同步进行。


　　令霍扎瓦想起单层石墨的原因是洛伦兹对称并不始终在其中出现，而我们周围空间和时间是由洛伦兹对称相连的。事实上霍扎瓦实验的精度非常高，霍扎瓦通过去掉洛伦兹对称来修改爱因斯坦方程，结果发现导出的一组方程，在相同的量子框架下可将重力表达为其他自然界的基本力，重力由于引力子这种量子的作用而表现为引力。同样，电磁力是由光子造成的。霍扎瓦还对广义相对论作了其他一系列改进。由于爱因斯坦的理论对于时间并无一个首选方向，然而我们所观察到的宇宙似乎在以从过去到未来的方式演变。因此霍扎瓦给时间定了一个首选方向。

　　做了这些修改以后，霍扎瓦发现量子场理论现在能描述微观尺度下的重力，而不会产生在早期试验中出现的荒谬结果了。他认为“突然间，你有了对在非常短的距离内对重力行为进行修改的新手段。”


　　与另一将空间时间以更小的片段缝合在一起的，被称为因果动态三角化(CDT)的量子重力方法相比，霍扎瓦的方法或许占了上风。CDT方法是由丹麦哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的简·安比约恩和他的同事首先提出来的。他们通过计算机模拟来分析空间时间行为的同时，却在为他们的模型中所发现的某些现象而困惑。他们发现当进行放大和缩小时，空间的三个维度和时间的一个维度各自的贡献并不相同，这令他们大惑不解。在缩小时，空间和时间表现相等，符合洛伦兹对称;而在放大时，时间比空间扮演了更重要的角色。


　　安比约恩认为：“通过分离时间空间，霍扎瓦的理论改变了黑洞物理学超越了爱因斯坦”。这意味空间和时间正以不同的速率收缩，正如你所猜到的——如果洛伦兹对称被打破，那是因为它符合霍扎瓦的量子重力理论(arxiv.org/abs/1002.3298)。通过打破空间和时间之间的对称，霍扎瓦的理论改变了黑洞物理学，尤其是能在极高能量下形成的微观黑洞。


　　自从霍扎瓦于2009年1月公布了他的研究成果“霍扎瓦重力”以来，迄今已有250多篇论文谈到这个论题。有些研究者已开始用它来解释宇宙神秘的孪生现象——暗物质和暗能量;有日本科学家从霍扎瓦理论出发推导运动方程时，他发现方程伴有一额外项(该项并不出现在由广义相对论所推导出的方程中)，而这个额外项的行为颇类似暗物质的影响。有人发现，黑洞的行为也许并不如人们所想象的那样。如果霍扎瓦的思路对头，或许会永久改变我们有关空间和时间的概念，并引领我们走向一个适用于宇宙中所有物质和力的“万有理论”。