数十年来,将广义相对论和量子理论统一成一个理论的工作一直是基于弦理论开展的,但现在有了替代者。
在所有非弦理论的万物理论候选者中,最成熟的当属因果动力学三角剖分(Causal Dynamical Triangulations, CDT)理论。CDT理论的提出者是荷兰乌得勒支大学的雷娜特·洛尔(Renate Loll),以及她的同事扬·安比约恩(Jan Ambjorn)和耶日·尤尔凯维奇(Jerzy Jurkiewicz)。在这个理论中,时空由微小的、全同的小块组成(见图8.4)。它们是三角形在高维下的类比,称为4-单纯形。依据量子力学, 每一块三角形都不断地将自己重新组合成不同的构型,并携带着不同的时空曲率。
正如绕着同一点,你可以把6块等边三角形拼在一起,粘贴成一块平直空间,依据CDT理论,也可以绕着同一个点,拼接上不同数目的4-单纯形,组成平直、正曲率或负曲率的时空。三角形并不对应物理实体,而仅仅是一种数学上和计算上的工具,而它导致了一些奇妙的结论。
在大尺度上推导时空性质的关键一步,是对三角形的所有可能构型进行求和。这一点和理查德·费曼处理量子力学的方法如出一辙,他的做法是对一个粒子从A点到B点的所有可能路径求和。20世纪70年代时,剑桥大学的斯蒂芬·霍金运用相似的方法处理时空,但是他得到的宇宙要么没有维度,要么有着无穷多的维度。
洛尔的高明之处在于,在三角形变换组合的过程中,她坚持保留因果律的顺序。因此她的计算得出了三维的空间和一维的时间,这个宇宙十分平滑并不断膨胀着,就如同我们生活的宇宙一般,由广义相对论的定律所主导,并且和标准宇宙学所描述的相吻合。
这个结论意味着,因果律也许可以说明为什么我们生活在一个四维的宇宙中。但是在CDT理论中,时空只有在大尺度下是四维的。在极小的尺度下,这个模型只有两个维度,它产生的时空有着分形结构——粗糙而起伏不定,而且越是放大,就能看到越多的细节。现实在这一点上开始分崩离析。
霍扎瓦引力
在调和引力和量子力学的道路上苦苦挣扎的物理学家们为一个理论雀跃不已,这个理论让一切变得十分简单,而启发它的是一根铅笔芯。时空这个概念十分成功,但是如果物理学家佩特·霍扎瓦(Petr Horava)的观点正确的话,那么时空不过是一个幻象。任职于美国加州大学伯克利分校的霍扎瓦想将时空撕裂,让时间和空间各行其道。
相对论的核心思想之一就是洛伦兹对称性:所有以匀速行进的观测者都对物理学定律和事件发生的时空点达成了一致。但是如果这个对称性并不是自然的基石,而仅仅是宇宙由大爆炸的火球冷却下来以后显现出来的一个性质呢?
2009年,通过移除洛伦兹对称性,霍扎瓦修改了爱因斯坦的广义相对论方程。他高兴地发现,他推导出了一组在量子框架下描述引力的公式,而这个引力与自然中的其他基本相互作用力一致:引力表现为基于我们称为引力子的一种量子粒子的吸引力,这种形式就好像光子携带着的电磁力一般。
研究自然界其他3种基本相互作用力的数学工具,也可以用来研究霍扎瓦引力,这也是许多物理学家满怀热情地接受霍扎瓦理论的一部分原因,它也可以破解一直困扰着科学家的暗物质迷局。当日本东京大学的向山信治(Shinji Mukohyama)从霍扎瓦理论中摘选出运动学方程时,他发现了一个广义相对论方程中并不存在的额外项,而这一项恰恰与暗物质的效应很相近。根据其值的不同,你可以解释部分暗物质,甚至是大部分。
暗能量则是一个更令人望而生畏的难题。在粒子物理学理论的预言里,暗能量的强度比观测得到的值高出了120个数量级,但是霍扎瓦的理论包含了一个参数,在精心微调以后,它可以产生出粒子物理学预言的真空能。