寻找“时空原子” 本文转自：北京邮电大学出版

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宇宙可能起源于由奇特的量子引力效应所驱动的大反弹——这表示大爆炸不再是宇宙万物的起点了。
爱因斯坦的广义相对论说，宇宙源自奇点大爆炸。但这理论并不具备完善的时空量子结构，因此，我们无从得知物质紧密汇聚的极限与引力强度的范围。物理学家需要一套新的量子引力理论，才能明了究竟发生了什么事情。
根据“圈量子引力理论” ，空间可被细分为许多具有体积的“原子”单位。由于它们仅有有限的容量可储存物质与能量，因此奇点是无法真正存在的。
若果真如此，宇宙产生的时间就有可能推到大爆炸之前。大爆炸前的宇宙或许曾非常剧烈地收缩成具有极大密度的一点，然后反转整个过程。简单地说，就是由大崩塌导致大反弹，最后才变成大爆炸。
由于原子的概念在现代已经是老生常谈，我们很难想象它曾经是个多么荒诞不经的想法。几个世纪前，当科学家第一次假设原子存在时，他们绝望地认为这么小的东西绝不可能观测得到，甚至有许多人质疑原子这样的概念是否合乎科学。不过，原子存在的证据逐渐累积，终于在1905年因为爱因斯坦分析了液体中微尘颗粒随机跳动的布朗运动，达到了高峰。即便如此，物理学家仍然花了20年才提出解释原子的理论，也就是量子力学。又过了30年之后，物理学家米勒才第一次用显微镜观察到原子的身影。今天，物理学各领域的发展，几乎都以物质原子的特殊性质为基础。
物理学家对时间与空间组成的理解亦经过了类似的过程，但还未达到成熟的阶段。正如从物质的行为可看出它们是由原子构成的一样，空间与时间的行为也暗示了它们具有某些细微的结构——可能是由类似 “时空原子”组成的马赛克构造，或是某种网状系统。物质原子是化合物不可分割的最小单位；同理，想象中的“时空原子”是时空不可分割的最小单位，一般认为它们的直径只有大约10-35米，小到连当今可探测到10-18米的距离的最强大的仪器都无法看到。所以，许多科学家甚至质疑这种“时空原子” 的概念是否合乎科学原理，不过，也有许多科学家不受影响，相继提出间接观测“时空原子”的方法。
看似最有希望的方式，与宇宙的观测有关。如果能倒转宇宙的时间，我们所见的星系会全都汇聚到一个无限小的点：大爆炸奇点。爱因斯坦的广义相对论预言，宇宙在该点上具有无穷大的密度与温度，一般认为，这是宇宙的起点，物质、空间与时间从此诞生。不过，这种诠释有些过头了，因为无限大的数值表示广义相对论本身在此失效。为了理解大爆炸时究竟发生了什么，物理学家必须发展出一套超越相对论的、能够捕捉到时空细微结构的量子引力论，以攻克广义相对论完全无能为力的问题。
该结构的细节产生于太初宇宙的致密环境中，从现今物质与辐射的分布上或许能看出一些蛛丝马迹。简单地说，假如“时空原子”确实存在，我们将不会像物质原子一样得花上好几百年才找到证据。靠点运气，我们或许就能在未来10年内知道此事的大致轮廓。
物理学家已经设计出一些量子引力的可能理论，每个理论都将量子原理以不同的方式应用在广义相对论上。我的工作锁定在“圈量子引力理论” ，那是在20世纪90年代经过两个步骤发展出来的理论。首先，理论物理学家以数学方法重新将广义相对论公式化，让它看起来很像古典的电磁理论；这一理论就是因为模拟于电场和磁力线而得名的。其次，依循某些与扭结数学相同的创新程序，将量子原理应用到环圈上，以此导出的量子引力理论，预测了“时空原子”的存在。