大冻结难撼大爆炸

　　已经在人们心中根深蒂固的宇宙来自一场大爆炸的观念，如今遇到了严峻的挑战。2012年8月初，澳大利亚科学家在理论物理学期刊上发表的一篇论文，登上了各大国际媒体科学版的头条。由于目前大爆炸理论仍有一些尚待解决的缺陷，是否认大爆炸理论，用新的理论取代它，还是继续为它寻找新的证据，成为困扰科学家们的一大问题。根据澳大利亚科学家提出的最新理论，宇宙的诞生不是来自一场大爆炸，而是来自原先一团混沌的高温液体的冷却，是液体的冻结导致了“结晶”——这就是他们所理解的宇宙的出现。

　　不过，细读澳大利亚科学家的这篇论文，实际上他们是为2006年加拿大科学家提出的一个关于时空的新理论提供了一个证明方法。

　　这个新理论还只是一个假说，尚不能完全解释现有的物理现象，更谈不上解释宇宙的起源。而大爆炸理论则“久经考验”，只是存在一些缺陷。

宇宙来自相变？

　　2012年8月1日出版的理论物理期刊《物理学评论D》，发表了来自澳大利亚墨尔本大学和墨尔本理工学院三位科学家的论文，题目是《量子力学图论下的内部结构》。这个复杂但平淡的题目，在这本专门发表理论物理学家各种奇思妙想的学术期刊上，原本不会引起太多注意，但当墨尔本大学的媒体部门为这篇论文撰写了一篇通俗的新闻稿后，其重要性就被凸显出来。

　　论文第一作者，墨尔本大学研究生詹姆斯·考奇（James Quach）称，这个理论是人类寻找宇宙起源和本质过程中一个最新发现。

　　考奇说，现在的关于大爆炸的理论，需要被改写。大爆炸最大的问题，是大爆炸本身，在爆炸的瞬间，物理学是不成立的。现有的理论无法预测在大爆炸瞬间发生的任何事情。在这个点上，现有的数学和物理学的理论都是无效的。

　　他举例说，古希腊哲学家提出的关于宇宙是由连续的物质还是单独的原子构成的问题，在高清晰显微镜下，已经得到回答：物质是由一个个原子构成的。而对空间本身，爱因斯坦的广义相对论认为，时空是连续的。但是考奇指出，现在我们相信在极小的尺度下，爱因斯坦的假设是不成立的。

　　考奇等人的观点，是大爆炸并不存在。现在的时空，起源于原来没有任何结构的一团液体的相变。当液体中出现结晶的时候，空间和时间就出现了，这就是我们通常认为的发生大爆炸的瞬间。这种观点，实际上并不是他们提出来的，而是根据量子力学图论（ Quantum graphity ）的观点，该理论认为，空间是由看不见的砖块构成的，是砖块网络的断裂，形成了现在的时空。这些砖块就像是屏幕上的像素，因其非常小，以至于我们不可能直接观测到。

　　量子力学图论最早是由加拿大的圆周理论物理研究所的科学家们在2006年提出来的。这个理论认为，爱因斯坦所发现的四维空间几何（即“空间-时间”）没有说到根本上；相反，“空间-时间”应该更加类似于一个格架结构，每个部分都是独立的、不连续的，就像是物质，宏观上看是有序而连续，但实际上是由许多砖块构成的。

　　不过，这些砖块之间的相互作用，无法直接观测到。而从物理学的发展，尤其是宇宙学的发展上看，一种理论的提出，必须用相应的观测来证明。大爆炸学说的确立，也是在不断的观测，尤其是微波背景辐射发现的基础上，逐渐被主流科学界接受的。研究者们现在最需要的就是证明这些砖块存在。

　　考奇等人的理论，提出了一个间接观测到这些砖块的方法。因为宇宙初期就像是液体，随着宇宙的冷却，这些液体“凝结”成为三维空间和时间，而从理论上看，宇宙冷却的过程会像液体冻结的过程中一样，形成一些裂缝。

　　该论文的第三作者，墨尔本大学副教授安德鲁·格林切（Andrew Greentree）说，光在通过这些裂缝时，会发生折射或反射，通过观测这种折射和反射现象，就可以证明量子力学图论对宇宙的描述。

　　如果他们按照量子力学图论观点所做出的预测得到证实，就是发现光在空间裂缝中的折射或反射现象，那么量子力学图论就得到了证实，科学家就不必在其他方向上做无谓的努力了。

　　现在，他们在理论上更多的工作是要计算这些裂缝之间的平均距离，因为还不知道这个距离是微观尺度上的，还是像光年那么远。这个距离也将对空间中粒子的行为产生影响。

挑战者众多

　　必须承认，虽然大爆炸理论从提出到现在，得到了众多观测事实的佐证，但是仍然存在一些无法解决的问题。

　　现在被广为接受的大爆炸理论，是上世纪30年代比利时天主教牧师乔治·爱德华·勒梅特提出的。据当时美国科学家哈勃发现的宇宙膨胀现象，他提出宇宙起源于一个原始原子思想。这个原始原子只比太阳大30倍左右，却是含有我们今天所见宇宙中全部物质的球体。

　　是这个球的大爆炸创造了现在膨胀的宇宙。1946年，他把这些思想总结在他的著作《原始原子假说》中。此后前苏联科学家乔治·伽莫夫解决了大爆炸中元素如何形成的问题，并预测了宇宙中氢、氦元素的丰度比例。在他的预测被观测证实后，大爆炸开始被主流科学界所接受。

　　到了1964年，天文学家发现了大爆炸理论所预测的微波背景辐射。在众多科学家的不断完善下，这成为支持大爆炸理论的关键证据，也使大爆炸理论成为目前公认最好的宇宙起源理论。

　　但是大爆炸理论也有一定的缺陷。中科院理论物理研究所研究员李淼告诉财新记者，大爆炸理论目前有几个大问题没有解决，其中有几个涉及基础理论本身，如大爆炸是怎么来的（如此大的能量集中在一点，为何没有变成黑洞）？还有是暗能量的起源问题。

　　他说，目前的宇宙学是建立在广义相对论和量子场论基础上的，缺陷是倒推到宇宙更早的时候有很大困难，对于量子引力不了解。目前解决的方法是：假定就是这样，推导出有什么结果，再通过观测去证实，这都是一个惟象模型。“就是不问它的理论基础，包括粒子标准模型，都是通过观测证实的。”实际上，大爆炸理论的缺陷，来自于广义相对论与量子场论无法统一的困境。要走出这一困境，要么是提出新的理论取代现有的理论，要么是找到新的证据弥补现在的缺陷。在两个方向上，都有很多科学家在不懈努力。

　　虽然这样的理论还没有被发现，但是科学家已经给这个理论想好了名字，就是“万有理论（ToE）”。如果能发现这一理论，它将对宇宙的运行做出最基本的解释，也就可以囊括我们对未来的理解。把量子力学和广义相对论统一起来是“万有理论”的前提，而弦论目前来说是最接近完备的一个理论。弦论认为基本粒子其实根本不是粒子，而是细小的弦，因为它们太小，所以用科学仪器“看起来”像粒子。

　　但是，到目前为止，弦论的理论学家还没有预测可以进行的试验。所以弦论只是一个理论。而且这个理论现在有太多的变体，其中任何一种都可能是正确的。作为国内为数不多的资深弦论专家之一，李淼承认弦论也存在很大缺陷。他说，弦论的好处是不仅能解释现有的现象，还可能包括不同于现在的现象。但它有两个最大的缺陷，第一是时空的曲率足够大的时候，就是引力太强的时候，没法计算。这在原则上是可以解决的，但是我们原来的技巧都没有用。

　　还有一个问题是，弦论允许多种不同的粒子模型，为什么我们的宇宙会选择了现在的模型？当然这个问题在一定程度上可以由弦论自己解决，因为弦论允许多元宇宙的存在，我们只是碰巧处在一个选择了这种粒子模型的宇宙中。

　　目前，弦论是传统理论最大的挑战者，此外还有很多。2010年，英国科普杂志《新科学家》曾经总结了七种新的“万有理论”候选者，其中就包括了弦论和考奇等人所提到的量子引力图论。

　　量子引力图论于2006年由加拿大物理学家弗提尼·马可波罗·卡拉马拉(Fotini Markopoulou-Kalamara)提出，她是美国《探索》杂志选出的具有爱因斯坦潜质的六名科学家中最年轻的一位，也是惟一的女性。她的前夫李·斯莫林（Lee Smolin）所擅长的圈量子引力理论（Loop quantum gravity）也是万有理论的候选者之一。这是到目前为止惟一可以和弦论抗衡的理论，弦论把世界看作一条条弦，圈量子引力理论则把世界看成一个个圈。

　　其他挑战者还包括，因果动力三角论（CDT），量子爱因斯坦引力论（Quantum Einstein gravity），内部相对论（Internal relativity）以及E8理论。

　　其中E8理论最为特别，在美国物理学家加勒特·里希（Garrett Lisi）提出这个八维数学模型中，有着248个点，已知的基本粒子和力可以被放在E8模型的点上，并且自然地出现了它们间的相互作用。在《探索》杂志评选的最具爱因斯坦潜质的科学家中，里希排名第一，甚至在著名的英国物理学家霍金之前。

小题大作？

　　为了解决广义相对论和量子力学统一的问题，许多科学家都在不懈努力，但是他们的态度要比提出大冻结说法的澳大利亚科学家谦虚得多，严谨得多。实际上，就连量子引力图论的提出者弗提尼·马可波罗·卡拉马拉也并不认为她否认了大爆炸的理论。她只是提出了一种不同于传统观点的大爆炸之后宇宙形成的方式。她认为，当宇宙在大爆炸中形成时，并不存在我们现在知道的空间这种东西，而是空间节点的网络，节点间相互连接。不久之后，这个网络崩塌，其中一些节点脱离出来，形成了我们今天看到的宇宙。

　　1998年，美国科学家罗伯特·劳林与霍尔斯特·施特默和崔琦因为发现“分数量子霍尔效应”获得诺贝尔物理奖，这种新形态量子流体的发现，促使麻省理工学院的文小刚和哈佛大学的迈克尔·列文（Michael Levin）提出了一个新的理论，这个理论不仅能够解释这种新的现象，更动摇了目前人们对于宇宙和时空的认识。

　　他们把弦论引入凝聚态物理学，提出粒子是由于弦的缠绕产生的。弦就像汤里的面条一样可以自由运动，弦之间构成的网络则充满了整个宇宙，弦网的不同相态就构成了各种各样的物质。

　　“突然我们认识到，也许宇宙的真空其实是弦网的液体，在其中可以产生光和物质。”文小刚说。所以在他们的理论中，基本粒子并不是构成物质的基本单位，这些基本粒子其实是弦网液体中出现的缺陷或者漩涡。

　　文小刚等人的弦网理论，核心是所有基本粒子都是真空激发的量子序，从光子、电子到夸克、胶子，都可以由这种机制产生。这一理论，对于基本粒子来源给出了一个与现在被广为接受的标准模型不同的回答。而宇宙的起源，正是从基本粒子的产生开始的。因此这种理论也成为了解释宇宙起源的另一种理论。2011年11月，文小刚离开麻省理工学院，加入了李·斯莫林和弗提尼·马可波罗·卡拉马拉所在的加拿大圆周理论物理研究所，该所是世界最大的理论物理研究基地。

　　在一些科学家看来，从圈量子理论推导到弦网理论，需要一个严格的过程，而量子引力图论的提出，就是为了实现这个目的。

　　但是文小刚本人也并不认为自己对大爆炸提出了挑战。他告诉财新记者：“我不知道什么大冻结，我们的弦网理论只是描述量子物质的新状态，而且我们正在发现更多的量子物质，这些新的量子物质存在更远程的量子纠缠。”

　　他说：“我个人相信真空也是一种存在远程量子纠缠行为的量子物质，这种物质就是以前我们所寻找的‘以太’。但是由于还没有推导出引力，我的理论还不能解释宇宙的起源。”

　　李淼则对财新记者表示，把量子引力图论说成是大冻结挑战大爆炸，只能说是小题大作了。这个理论只是提出了一个想法，距离完备还很远，甚至还没有推出引力，而文小刚的理论起码推出了引力子，但不能推出引力子的相互作用，也是候选理论之一，比量子引力图论走在更前面。

　　“现在只是说这个理论开始构建了，图像很清楚。”李淼表示，但这个理论还没有推出引力是什么，没有解释现有的各种现象。而澳大利亚的几位科学家只是假定这一理论是正确的，然后从数学上计算在每个点上再放一些东西后，可以看到什么，计算后可以看到一块块的东西，块与块之间就会出现裂缝。

　　李淼指出，即便真的天文学上观测到这个光线在这些裂缝中折射或反射现象，也没法证明量子力学图论是对的。他认为，现在的物理学既需要一些人研究纯粹的理论，也需要一些人研究已有的现象。

　　“我们现在不是从最根子上追问，多数是做惟象的，从现象出发去建立模型，作出预言，新的观测数据出来，再检验这个模型。到最后可能是错的。但对了就不得了，预言能够被证实的话，很多人会去寻找他的理论基础。”李淼说。■