薛曉舟

（河南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453007）

量子引力時(shí)空和物質(zhì)存在形式論

薛曉舟

（河南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453007）

本文首先給出現(xiàn)代物理學(xué)中的經(jīng)典空間時(shí)間觀念，其次研究當(dāng)代量子引力理論中量子時(shí)空觀念，最后探討與量子引力空間時(shí)間本質(zhì)有關(guān)的哲學(xué)問題。

量子引力；空間時(shí)間量子化；超弦/M理論；圈量子引力；存在形式論

物理學(xué)是研究物質(zhì)的組分結(jié)構(gòu)、運(yùn)動及相互作用規(guī)律和空間時(shí)間特性的自然科學(xué)[1]，量子時(shí)空理論則是研究物質(zhì)的空間時(shí)間量子特性的物理理論。本文分三個(gè)部分論述量子引力時(shí)空理論及其哲學(xué)意義，首先給出現(xiàn)代物理學(xué)中的經(jīng)典空間時(shí)間觀念，其次研究當(dāng)代量子引力理論中的時(shí)空觀念，最后探討與量子引力空間時(shí)間本質(zhì)有關(guān)的哲學(xué)問題。

一、現(xiàn)代物理學(xué)中的經(jīng)典空間時(shí)間觀念

現(xiàn)代物理學(xué)主要是指20世紀(jì)物理學(xué)，其內(nèi)容有“經(jīng)典”和“量子”的不同。所謂“經(jīng)典”是指物理量的變化為連續(xù)的，“量子”是指物理量的變化為斷續(xù)的。

（一）相對論的經(jīng)典時(shí)空觀念

愛因斯坦在20世紀(jì)初期所建立的相對論，有狹義相對論和廣義相對論之分。狹義相對論，其時(shí)空觀念是運(yùn)動學(xué)的，背景有關(guān)的；廣義相對論，其時(shí)空觀念是動力學(xué)的，背景無關(guān)的。但是它們的時(shí)間、空間量度的變易卻都是連續(xù)而非斷續(xù)的，即經(jīng)典的。

（二）量子力學(xué)的經(jīng)典時(shí)空觀念

量子力學(xué)有非相對論量子力學(xué)和相對論量子力學(xué)的區(qū)別。在海森保、薛定諤的非相對論量子力學(xué)中，粒子運(yùn)動速度是低速的（v〈〈c），規(guī)律是量子的（h≠0），運(yùn)動和時(shí)空的不確定關(guān)系是ΔxΔp～h，ΔtΔE～h，此中c是真空中的光速， h是普朗克常量。在狄拉克建立的相對論量子力學(xué)中，粒子運(yùn)動速度是高速的，規(guī)律是量子的，即 v≈c，h≠0；運(yùn)動和時(shí)空的不確定關(guān)系，也是ΔxΔp～h，ΔtΔE～h。

在量子力學(xué)中，雖然粒子運(yùn)動的規(guī)律是量子的，但是關(guān)于空間、時(shí)間的變易還是連續(xù)的，因此量子力學(xué)的時(shí)間空間觀念仍是經(jīng)典性的。

（三）量子場論的經(jīng)典時(shí)空觀念

這里說的“量子場論”是指不含有引力作用的量子場論，或雖含有引力作用但引力仍是作為非量子化來處理的。我們可以按照平直時(shí)空量子場論和彎曲時(shí)空量子場論兩種情形加以論述。

首先討論平直時(shí)空量子場論的時(shí)空經(jīng)典性。在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，當(dāng)討論電磁作用的量子電動力學(xué)、弱電作用的量子味動力學(xué)和強(qiáng)作用的量子色動力學(xué)時(shí)，其時(shí)空觀念是狹義相對論的，即經(jīng)典的，而場論則是量子的。費(fèi)曼在論述量子電動力學(xué)中的無窮大困難出現(xiàn)時(shí)曾指出，如果空間時(shí)間是斷續(xù)的即量子化時(shí)，無窮大困難就可以消失。其次討論彎曲時(shí)空量子場論[2]的時(shí)空經(jīng)典性。彎曲時(shí)空量子場論又稱半量子廣義相對論，即場論是量子的，時(shí)空特性則是廣義相對論即經(jīng)典的，此理論曾取得了不少成功。

二、當(dāng)代量子引力理論中的量子時(shí)空觀念

量子引力理論簡稱量子引力，它是有關(guān)引力作用的量子理論，同時(shí)它又是關(guān)于空間時(shí)間結(jié)構(gòu)的理論在普朗克標(biāo)度情形下的延續(xù)。量子引力的發(fā)展形式，大體上可分為前期和當(dāng)代兩種情況。前期主要是指上世紀(jì)80年代以前發(fā)展的，當(dāng)代主要是指80年代以來所發(fā)展的超弦/M理論和圈量子引力，另外還有一致離散量子引力、因果集量子引力、扭量引力等。

（一）超弦/M理論[3]時(shí)空的量子性

1.空間及時(shí)間量度的量子性

2.時(shí)空量子漲落[4]

目前關(guān)于空間時(shí)間的量子結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)，已在超高能宇宙射線、宇宙微波背景輻射、暗能量、宇宙常數(shù)和宇宙真空能量諸方面進(jìn)行探討。由于空間時(shí)間量子漲落是量子引力理論的預(yù)言，從而時(shí)空量子漲落被認(rèn)為是對量子引力觀測檢驗(yàn)的一個(gè)重要途徑。

（二）圈量子引力[5]的時(shí)空量子性

圈量子引力是4維時(shí)空中引力作用的一種徹底量子理論。在圈表示中，理論結(jié)構(gòu)不依賴于個(gè)體的圈，而是依賴于圈所屬的紐結(jié)，這就出現(xiàn)了一個(gè)沒有預(yù)料到的圈、紐結(jié)、規(guī)范場和引力的交叉情形，圈量子引力正是這樣的一個(gè)交叉領(lǐng)域。

1.面積和體積量度的分立性

2.時(shí)空泡沫結(jié)構(gòu)

由于空間、時(shí)間是物質(zhì)的存在形式，真空是物質(zhì)的基本形態(tài)，從而時(shí)空泡沫實(shí)質(zhì)上乃是量子引力真空泡沫的時(shí)空形式。

（三）一致離散量子引力[6]的時(shí)空特性

這種量子引力是近年來在基本層次時(shí)間離散化的一種量子引力理論，其思路是應(yīng)用時(shí)間間隔離散演化參數(shù) tn+1-tn=εn求得系統(tǒng)的運(yùn)動方程。

此理論已經(jīng)有某些重要應(yīng)用，例如對于我們宇宙大爆炸奇性問題的解決、量子態(tài)的消相干基本機(jī)制的解釋、黑洞信息丟失的不存在等。

（四）因果集量子引力[7]的時(shí)空深度結(jié)構(gòu)

量子引力的因果集進(jìn)路，體現(xiàn)了因果性概念和離散性概念的結(jié)合，對于什么是量子引力，什么是空間時(shí)間的深度結(jié)構(gòu)，作為因果集的空間時(shí)間，正是在這個(gè)方向上探索時(shí)空深度結(jié)構(gòu)的代表性進(jìn)路。

對于物理實(shí)在的基本量子性結(jié)構(gòu)，因果集理論認(rèn)為需要調(diào)和“量子”和“時(shí)空”兩個(gè)概念，也就是說應(yīng)該結(jié)合離散性和因果性去建立量子引力理論的新框架，從而“空間時(shí)間”由“離散元”及組合它們的“關(guān)系”形成所謂的偏序集所替代。這里既沒有空間時(shí)間連續(xù)統(tǒng)，也沒有度量和拓?fù)?，這些幾何觀念只是在宏觀尺度近似情況下出現(xiàn)。

三、量子引力時(shí)空本質(zhì)的哲學(xué)探討

在這里主要研討三個(gè)重要問題。第一，空間時(shí)間“是什么”；第二，量子引力空間、時(shí)間的間斷性；第三，量子引力空間時(shí)間和物質(zhì)、運(yùn)動相互制約及因果性問題。

（一）空間時(shí)間“是什么”的問題

這是一個(gè)典型的形上學(xué)問題。在當(dāng)代量子引力的哲學(xué)研究中，涉及空間時(shí)間本質(zhì)的主要有三種不同理論[8]，它們是時(shí)空實(shí)體論、時(shí)空關(guān)系論和存在形式論。這些哲學(xué)詮釋都有其歷史的根源。

1.時(shí)空實(shí)體論

此種詮釋認(rèn)為時(shí)空是一種物質(zhì)實(shí)體。把空間作為一種物質(zhì)實(shí)體，可以說從古希臘德謨克利特就開始了。他認(rèn)為萬物的始基是原子和虛空；原子是不可再分的最小物質(zhì)微粒，虛空是原子運(yùn)動的空間，即不同于原子（“存在”）的“非存在”，然而“非存在”不等于“不存在”，它“并不比實(shí)體不存在”。這種把空間作為“容納”物質(zhì)的獨(dú)立實(shí)在的觀點(diǎn)，后來被人們稱為空間“實(shí)體論”。這種觀點(diǎn)被其后的伊壁鳩魯、盧克萊修所繼承。到了近代，牛頓在前人的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地提出了“絕對空間”和“絕對時(shí)間”的概念。按照他的觀點(diǎn)，空間和時(shí)間是不依賴于任何物質(zhì)系統(tǒng)而獨(dú)立存在的實(shí)體，從而給出了時(shí)空“實(shí)體論”的哲學(xué)詮釋。

在當(dāng)代，2007年出版的《物理學(xué)哲學(xué)》（Philosophy of Physics）兩卷集巨著的兩位主編的第一人J.柏特爾菲德（Butterfield）[9]就是一個(gè)時(shí)空實(shí)體論者。

2.時(shí)空關(guān)系論

古希臘亞里士多德把空間和時(shí)間看做關(guān)系而不是看做實(shí)體，后來人們把這種有關(guān)時(shí)空本質(zhì)的思想稱為時(shí)空“關(guān)系論”。這種時(shí)空觀在近代被萊布尼茲等人所繼承和發(fā)展，對現(xiàn)代的時(shí)空觀也發(fā)生重大影響。

萊布尼茲反對牛頓的時(shí)空實(shí)體論觀點(diǎn)，他繼承和發(fā)展了亞里士多德的時(shí)空關(guān)系論的思想，認(rèn)為空間是事物的并存秩序，時(shí)間是事物的延續(xù)秩序，空間和時(shí)間都是事物之間的關(guān)系，并不是獨(dú)立存在的實(shí)體。在歷史上，牛頓的時(shí)空實(shí)體論和萊布尼茲的時(shí)空關(guān)系論曾進(jìn)行了激烈的爭論。

在當(dāng)代，圈量子引力理論建立的主要人之一，C.羅維里（Rovelli）就是一個(gè)時(shí)空關(guān)系論者。在上面曾提到的《物理學(xué)哲學(xué)》書中的一篇名為“量子引力”（Quantum Gravity）（P.1287-1330）的文章，就是他所寫的。

3.存在形式論[10]

“存在形式論”即“運(yùn)動物質(zhì)的存在形式論”的簡稱，也就是說時(shí)間空間的本質(zhì)既不是某種物質(zhì)客體，也不是諸物質(zhì)個(gè)體間的關(guān)系或復(fù)雜的關(guān)系集，而是運(yùn)動物質(zhì)的存在基本形式。

這種唯物主義的時(shí)空觀，完全是和當(dāng)代量子場論與量子引力理論的成就相一致的。根據(jù)量子引力真空是物質(zhì)的重要形態(tài)的論斷[11]，所謂空空間，歸根結(jié)底不過是真空物質(zhì)的存在形式而已，沒有無物質(zhì)的空間和時(shí)間，也沒有無空間和時(shí)間的物質(zhì)?？梢娍臻g和時(shí)間并非物質(zhì)本身，本質(zhì)上也不是指物質(zhì)間的關(guān)系或關(guān)系集，而是運(yùn)動物質(zhì)存在的基本形式[13]。從而在量子引力真空理論基礎(chǔ)上，融合吸取了空間時(shí)間實(shí)體論和關(guān)系論的合理因素，進(jìn)一步論證和豐富了存在形式論基本思想。

（二）量子引力空間時(shí)間的斷續(xù)性問題

關(guān)于空間時(shí)間是連續(xù)的還是斷續(xù)的問題，當(dāng)代量子引力無論是超弦/M理論還是圈量子引力等，都明確指出空間時(shí)間的量度是斷續(xù)的即量子化的。實(shí)際上空間時(shí)間量子化觀念的提出，也同樣是有其歷史根源的[12]。

在現(xiàn)代物理學(xué)中，作用量子、光子、基本電荷的發(fā)現(xiàn)，就啟發(fā)了空間和時(shí)間具有間斷性的思想。彭加勒在他的《晚近思潮》一書中，就根據(jù)普朗克的量子假設(shè)寫道：“由此可見，我們接近了時(shí)間間斷性流程，接近了時(shí)間的原子?！?930年，蘇聯(lián)物理學(xué)家阿姆巴楚米揚(yáng)和伊萬寧柯在他們的《論避免電子的無限自身反作用問題》一書中，特別提出了引用量子化空間、時(shí)間的想法，建議對空間和時(shí)間引用極限的數(shù)值。1938年，海森保在《論出現(xiàn)在基本粒子理論中普遍長度》一文中，發(fā)展了普遍長度即長度的普遍常量的思想，對這種長度進(jìn)行了論證。1952年，伊萬寧柯等在其《量子場論》一書中寫道：“為了消除有關(guān)點(diǎn)形電子和其他粒子的困難那一目的，是否可在空間時(shí)間的幾何學(xué)中引用普遍長度?！?958年，海森保仍然堅(jiān)持在自然界中基本長度還是存在的的觀點(diǎn)，其存在的根據(jù)就是物理學(xué)中的兩個(gè)不變的自然常量，即普朗克常量h和光速c。這和當(dāng)代量子引力理論如弦理論和圈理論所表示的普朗克長度和普朗克時(shí)間的形式相對比，也就只差一個(gè)引力常量G而已。

當(dāng)代量子引力理論認(rèn)為空間時(shí)間是離散性的即量子化的[13]，從而也就論證了物質(zhì)組分結(jié)構(gòu)具有不可分割的基元性，因?yàn)槲镔|(zhì)存在的基本形式是空間和時(shí)間。所謂空間時(shí)間是連續(xù)性的論斷，只是在很大于普朗克時(shí)空標(biāo)度情形下才是近似正確的。

（三）量子時(shí)空特性和物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律及因果性問題

運(yùn)動是物質(zhì)的根本屬性，時(shí)空是運(yùn)動物質(zhì)的存在形式。物質(zhì)運(yùn)動及相互作用的規(guī)律不同，其時(shí)空結(jié)構(gòu)也因之而異。例如，時(shí)空結(jié)構(gòu)有所謂運(yùn)動學(xué)的和動力學(xué)的。

量子引力的原初目標(biāo)，是要建立廣義相對論和量子力學(xué)的統(tǒng)一理論。它討論在普朗克標(biāo)度情形的時(shí)空量子結(jié)構(gòu)，例如圈量子引力，從而得出空間時(shí)間的特性和物質(zhì)運(yùn)動及相互作用規(guī)律存在著深刻的聯(lián)系。至于因果集量子引力的時(shí)空結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，則使得在量子理論中微觀客體運(yùn)動規(guī)律是否仍然具有決定論因果性的問題，重新被提出來進(jìn)行研究。

[1]薛曉舟，張會.現(xiàn)代物理學(xué)哲學(xué)問題[M].開封：河南大學(xué)出版社，1996.

[2]R.M.Wald.Quantum field theory in curved spacetime and black hole thermodynamics.The University of Chicago Press.1994.

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[8]李烈炎.時(shí)空學(xué)說史[M].武漢：湖北人民出版社，1988.

[9]J.Butterfield and J.Earman.（Ed）.Philosophy of Physics.North2Holland.2007.

[10]馬克思恩格斯選集：第3卷[M].北京：人民出版社，1972：91，556.

[11]薛曉舟.量子真空物理導(dǎo)引[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[12]В.И.С в и д е р с к и й.П р о с т р а н с т в о ив р е м я.Г о с п о л и т и з д а т.1958.

[13]M.Gasperini.The universe before the big bang.Cosmology and string theory.Springer.2008.

[責(zé)任編輯 張家鹿]

N031

A

1000-2359（2010）01-200172-03

薛曉舟（1929-），男，河南修武人，河南師范大學(xué)理論物理研究所教授，主要研究方向：粒子物理學(xué)，當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)問題。

2009－02－11