想要破解时间起源之谜，我们需要怎样的物理学理论？

广义相对论是理解时间不可或缺的理论。但实际上，我们知道广义相对论并不能描述宇宙的起源。如果把描述天体等巨大对象的广义相对论应用于宇宙的起源这样的微观世界，就会出现破绽。

图片来源：scitechdaily

量子力学是描述微观世界的理论，因此，人们希望创建一种新的理论将广义相对论和量子力学结合到一起，这就是量子引力理论——一个连接宏观和微观世界的“终极理论”。

如果量子引力理论得以完成，我们就会对宇宙的诞生有更加深入的了解，时间起源的疑问也将得到解答。此外，也有望解开物理学的各种谜题。但是，由于其数学难度等原因，量子引力理论至今尚未完成。

量子引力理论有很多种，下面只介绍其中的几种：

著名的超弦理论是量子引力理论的候选理论之一。超弦理论认为，作为自然界最小单位的基本粒子不是点，而是弦那样的1维存在，从而避免了在微观世界中的破绽。由于弦的振动方式不同，所以，在我们看来，就好像存在多种基本粒子。

超弦理论认为我们生活的宇宙是一个10维时空，这是其独特之处。但是，我们只能观测到4个维度，即3维空间和1维时间。那么，被称作“额外维度”的剩余6个维度又是怎样的？

其中一个解释是，额外维度都卷曲成普朗克长度（大约10^-35米）那么大。也有观点认为，这个宇宙就像飘浮在10维（或11维）空间的薄膜（D膜）。在这种情况下，弦的两端就像绽开的线从布里飞出来那样，飘浮在膜上。对于膜内侧的我们来说，可以观测到就像点那样的基本粒子。

虽然超弦理论被认为是最有希望被证明的理论，但是，以时间和空间（时空）为前提，考虑在其中振动的弦，是一个很大的课题。这是因为，从根本上说，能够解释时空本身起源的理论才能被称为“终极理论”。
因果动态三角剖分理论是近年来备受瞩目的量子引力理论的候选理论之一，它认为时空不是平滑地连在一起的，而是由被称作“单元”的微小部分组合而成的。
我们用下图来解释。图片表示用单元分割的3维时空。空间被三角形分割，边沿着时间的方向延伸，从而形成了四面体。这个四面体就是3维时空的单元。大量单元聚集在一起形成复杂的形状，就能产生弯曲的时空。

单元的边长在空间方向上是普朗克尺度（10^-35米），在时间方向上是普朗克时间（普朗克长度除以光速的值，即10^-43秒）。也就是说，如果这个理论的观点是正确的，那么，这个时空就是无数单元的集合，普朗克长度和普朗克时间是空间和时间的最小单位。现在的量子力学和广义相对论认为时间和空间是平滑地连在一起的，但这也不是颠扑不破的。
量子引力理论还有很多其他候选理论。例如，全球畅销书《时间的秩序》（The Order of Time）的作者、意大利物理学家卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）等人提出的圈量子引力理论等。
上述任何一个理论要证明其正确性，都要进行对照实验和观测验证。
但是，只有在宇宙大爆炸初期那样温度极高、密度极大的状态——以目前的技术根本无法模拟的环境下，量子引力的效果才明显。因此，要验证哪个候选理论适合这个宇宙，是一件非常困难的事情，这也是量子引力理论研究极其困难的原因之一。

本文摘自《科学世界》2022年第6期。

新媒体编辑 | 张丽君

审校 | 方晨

《科学世界》2022年第8期新鲜出炉

点击下图，即可购买

订阅更多精彩内容

2022全订订阅  12期  全年包邮到家！

2021年合订本上下2册  全年珍藏  一口气读过瘾！

强烈推荐  典藏本  大宇宙+相对论

猜您喜欢(点击下方标题即可观看)：