圆量子引力理论预言空间就像一个原子

近几十年来，物理学家和数学家一直在思考空间是否由离散的块组成。如果我们能在足够小的尺度上进行探测，我们会在太空中看到“原子”吗？这里的“原子”是指空间中存在无法进一步分解的单位。同样，对于时间来说：自然是不断变化的吗？还是这个世界通过一系列微小的步骤像计算机一样工作？

过去的几十年见证了科学家在这些问题上的巨大进步。一种被称为环量子引力的奇怪理论预测，空间和时间确实是由离散的块组成的。在这个理论框架下，科学家的计算揭示了一个简单而美丽的图像。这个理论也加深了我们对黑洞和BIGBANG相关的令人困惑的现象的理解。最重要的是，目前的实验很可能在不久的将来探测到来自时空原子结构的信号——，前提是这些结构真的存在。

和量子引力理论。

量子力学理论在20世纪的前25年得到了验证。这一发展过程与物质是由原子组成的确认密切相关。量子力学方程所需的一些量，如原子能，只能来自特定的离散元素。量子理论成功地预测了原子的性质和行为，以及组成它们的基本粒子和力。

在量子理论被证明的同时，爱因斯坦构建了引力理论——广义相对论。在他的理论中，引力是由于物质的存在而使时间和空间(它们一起构成“时空”)弯曲的结果。任何物质或能量的集中都会扭曲时空的几何结构，导致其他粒子或光向集中的物质或能量偏转。这种现象叫做引力。

量子理论和爱因斯坦的广义相对论分别得到了实验的完美验证，但实验还没有探索出两者都发挥重要作用的情况。问题是量子效应在小尺度上非常显著，广义相对论的影响需要巨大的质量才能显现，所以需要一个特殊的环境来结合这两个条件。

除了实验数据的差距，还有另一个重要的概念问题：爱因斯坦的广义相对论是经典理论，而不是量子理论。物理作为一个整体必然是逻辑自洽的，所以必然有一种理论能够以某种方式统一量子力学和广义相对论。科学家们所追求的这个理论可以称为量子引力理论。因为广义相对论处理的是时空的几何结构，所以引力的量子理论也是时空的量子理论。

物理学家已经开发了相当多的数学程序，可以将经典理论转化为量子理论。许多理论物理学家和数学家致力于将这些标准方法应用于广义相对论，但早期的研究结果令人沮丧。科学家们尝试了许多不同的方法，如twistor理论、超重力和弦理论。然而，经过多年的研究，这些理论做出的所有预测仍然无法通过实验得到验证。因此，很多物理学家开始重新考虑量子论和广义相对论到底是不是真的兼容。

巨大的漏洞。

在20世纪80年代中期，我们中的一些人，包括阿比阿什卡、泰德雅各布森和卡尔罗罗威利，决定重新审视量子力学和广义相对论是否可以通过标准方法联系起来。众所周知，20世纪70年代的糟糕结果存在重大漏洞。无论我们怎么仔细考察，都会发现计算假设的几何空间是连续光滑的，就像人们在发现原子之前想象的物质一样。如果这个假设是错误的，那么之前的计算方法也是不可靠的。

因此，我们开始寻找一种不假设空间连续性和平滑性的计算方法。我们限制了自己的假设，即不做广义相对论和量子论原理之外的、经过实验验证的假设。特别是，广义相对论的两个关键原理仍然存在于我们的计算核心中。

第一个原则叫做背景独立。这个原理说明时空的几何结构不是固定的，而是一个不断发展的动态量。为了找到这样的几何结构，需要求解一些包含所有物质和能量影响的方程。

第二个原理有着令人印象深刻的名字——微分同胚不，这意味着与之前的广义相对论不同，我们可以自由选择任何坐标系来映射时空和表达方程。定义一个时空点时，只是根据该点发生的物理过程来定义，而不是根据某些特殊坐标系(没有特殊坐标系)得到的位置来定义。微分同胚不在广义相对论中极其重要。

利用量子力学的标准方法，并仔细结合这两个原理，我们开发了一套数学语言，可以通过计算确定空间是连续的还是离散的。我们很高兴看到计算显示的空间是量子化的。至此，我们奠定了环圈量子引力理论的基础。顺便说一下，时空中的一些小圆会参与理论计算，因此得名“圆量子引力”。

量子引力理论的一个核心预测与体积和面积有关。例如，边界定义为B的球壳，在这个空间区域中有一个体积(A)。根据经典(非量子)物理，体积可以是任何形式数。根据量子引力理论，有一个非零的绝对最小体积(约为普朗克长度的立方，或10-99立方厘米)，和

且预言更大区域的体积只能取一系列离散的数。相似的，根据圈量子引力理论，存在非零的最小面积(约为普朗克长度的平方，或10-66立方厘米)，更大的面积也只能取一系列离散的数。量子面积和体积的离散值(b)与氢原子的量子能级大致相似(c)。

圈量子引力理论预言的空间像原子一样：在体积测量实验中可以得到一组离散的数据，即体积也是可区分的块。另一个我们可以测得的量是区域B的表面积，理论计算再次返回一个明确的结果：表面积也是离散量。换句话说，空间是不连续的，只存在特定量子单位的面积和体积。

区域B的体积和面积的可能值所拥有的单位叫做普朗克长度。这个单位与引力的强度、量子的尺寸以及光速的大小有关，它所衡量的空间几何结构在尺度上不再是连续的。普朗克长度很小：10-33厘米。因此，圈量子引力理论预言在每立方厘米空间中大约有1099个“体积原子”。这样，每立方厘米所拥有的体积量子数，甚至超过可见宇宙中立方厘米空间的数量(1085)。