量子引力时空和物质存在形式论

2010-08-30薛晓舟

河南师范大学学报（哲学社会科学版） 2010年1期

关键词：引力物理学时空

薛晓舟

（河南师范大学物理与信息工程学院，河南新乡453007）

量子引力时空和物质存在形式论

薛晓舟

（河南师范大学物理与信息工程学院，河南新乡453007）

本文首先给出现代物理学中的经典空间时间观念，其次研究当代量子引力理论中量子时空观念，最后探讨与量子引力空间时间本质有关的哲学问题。

量子引力；空间时间量子化；超弦/M理论；圈量子引力；存在形式论

物理学是研究物质的组分结构、运动及相互作用规律和空间时间特性的自然科学[1]，量子时空理论则是研究物质的空间时间量子特性的物理理论。本文分三个部分论述量子引力时空理论及其哲学意义，首先给出现代物理学中的经典空间时间观念，其次研究当代量子引力理论中的时空观念，最后探讨与量子引力空间时间本质有关的哲学问题。

一、现代物理学中的经典空间时间观念

现代物理学主要是指20世纪物理学，其内容有“经典”和“量子”的不同。所谓“经典”是指物理量的变化为连续的，“量子”是指物理量的变化为断续的。

（一）相对论的经典时空观念

爱因斯坦在20世纪初期所建立的相对论，有狭义相对论和广义相对论之分。狭义相对论，其时空观念是运动学的，背景有关的；广义相对论，其时空观念是动力学的，背景无关的。但是它们的时间、空间量度的变易却都是连续而非断续的，即经典的。

（二）量子力学的经典时空观念

量子力学有非相对论量子力学和相对论量子力学的区别。在海森保、薛定谔的非相对论量子力学中，粒子运动速度是低速的（v〈〈c），规律是量子的（h≠0），运动和时空的不确定关系是ΔxΔp～h，ΔtΔE～h，此中c是真空中的光速， h是普朗克常量。在狄拉克建立的相对论量子力学中，粒子运动速度是高速的，规律是量子的，即 v≈c，h≠0；运动和时空的不确定关系，也是ΔxΔp～h，ΔtΔE～h。

在量子力学中，虽然粒子运动的规律是量子的，但是关于空间、时间的变易还是连续的，因此量子力学的时间空间观念仍是经典性的。

（三）量子场论的经典时空观念

这里说的“量子场论”是指不含有引力作用的量子场论，或虽含有引力作用但引力仍是作为非量子化来处理的。我们可以按照平直时空量子场论和弯曲时空量子场论两种情形加以论述。

首先讨论平直时空量子场论的时空经典性。在粒子物理学的标准模型中，当讨论电磁作用的量子电动力学、弱电作用的量子味动力学和强作用的量子色动力学时，其时空观念是狭义相对论的，即经典的，而场论则是量子的。费曼在论述量子电动力学中的无穷大困难出现时曾指出，如果空间时间是断续的即量子化时，无穷大困难就可以消失。其次讨论弯曲时空量子场论[2]的时空经典性。弯曲时空量子场论又称半量子广义相对论，即场论是量子的，时空特性则是广义相对论即经典的，此理论曾取得了不少成功。

二、当代量子引力理论中的量子时空观念

量子引力理论简称量子引力，它是有关引力作用的量子理论，同时它又是关于空间时间结构的理论在普朗克标度情形下的延续。量子引力的发展形式，大体上可分为前期和当代两种情况。前期主要是指上世纪80年代以前发展的，当代主要是指80年代以来所发展的超弦/M理论和圈量子引力，另外还有一致离散量子引力、因果集量子引力、扭量引力等。

（一）超弦/M理论[3]时空的量子性

1.空间及时间量度的量子性

2.时空量子涨落[4]

目前关于空间时间的量子结构的经验检验，已在超高能宇宙射线、宇宙微波背景辐射、暗能量、宇宙常数和宇宙真空能量诸方面进行探讨。由于空间时间量子涨落是量子引力理论的预言，从而时空量子涨落被认为是对量子引力观测检验的一个重要途径。

（二）圈量子引力[5]的时空量子性

圈量子引力是4维时空中引力作用的一种彻底量子理论。在圈表示中，理论结构不依赖于个体的圈，而是依赖于圈所属的纽结，这就出现了一个没有预料到的圈、纽结、规范场和引力的交叉情形，圈量子引力正是这样的一个交叉领域。

1.面积和体积量度的分立性

2.时空泡沫结构

由于空间、时间是物质的存在形式，真空是物质的基本形态，从而时空泡沫实质上乃是量子引力真空泡沫的时空形式。

（三）一致离散量子引力[6]的时空特性

这种量子引力是近年来在基本层次时间离散化的一种量子引力理论，其思路是应用时间间隔离散演化参数 tn+1-tn=εn求得系统的运动方程。

此理论已经有某些重要应用，例如对于我们宇宙大爆炸奇性问题的解决、量子态的消相干基本机制的解释、黑洞信息丢失的不存在等。

（四）因果集量子引力[7]的时空深度结构

量子引力的因果集进路，体现了因果性概念和离散性概念的结合，对于什么是量子引力，什么是空间时间的深度结构，作为因果集的空间时间，正是在这个方向上探索时空深度结构的代表性进路。

对于物理实在的基本量子性结构，因果集理论认为需要调和“量子”和“时空”两个概念，也就是说应该结合离散性和因果性去建立量子引力理论的新框架，从而“空间时间”由“离散元”及组合它们的“关系”形成所谓的偏序集所替代。这里既没有空间时间连续统，也没有度量和拓扑，这些几何观念只是在宏观尺度近似情况下出现。

三、量子引力时空本质的哲学探讨

在这里主要研讨三个重要问题。第一，空间时间“是什么”；第二，量子引力空间、时间的间断性；第三，量子引力空间时间和物质、运动相互制约及因果性问题。

（一）空间时间“是什么”的问题

这是一个典型的形上学问题。在当代量子引力的哲学研究中，涉及空间时间本质的主要有三种不同理论[8]，它们是时空实体论、时空关系论和存在形式论。这些哲学诠释都有其历史的根源。

1.时空实体论

此种诠释认为时空是一种物质实体。把空间作为一种物质实体，可以说从古希腊德谟克利特就开始了。他认为万物的始基是原子和虚空；原子是不可再分的最小物质微粒，虚空是原子运动的空间，即不同于原子（“存在”）的“非存在”，然而“非存在”不等于“不存在”，它“并不比实体不存在”。这种把空间作为“容纳”物质的独立实在的观点，后来被人们称为空间“实体论”。这种观点被其后的伊壁鸠鲁、卢克莱修所继承。到了近代，牛顿在前人的基础上系统地提出了“绝对空间”和“绝对时间”的概念。按照他的观点，空间和时间是不依赖于任何物质系统而独立存在的实体，从而给出了时空“实体论”的哲学诠释。

在当代，2007年出版的《物理学哲学》（Philosophy of Physics）两卷集巨著的两位主编的第一人J.柏特尔菲德（Butterfield）[9]就是一个时空实体论者。

2.时空关系论

古希腊亚里士多德把空间和时间看做关系而不是看做实体，后来人们把这种有关时空本质的思想称为时空“关系论”。这种时空观在近代被莱布尼兹等人所继承和发展，对现代的时空观也发生重大影响。

莱布尼兹反对牛顿的时空实体论观点，他继承和发展了亚里士多德的时空关系论的思想，认为空间是事物的并存秩序，时间是事物的延续秩序，空间和时间都是事物之间的关系，并不是独立存在的实体。在历史上，牛顿的时空实体论和莱布尼兹的时空关系论曾进行了激烈的争论。

在当代，圈量子引力理论建立的主要人之一，C.罗维里（Rovelli）就是一个时空关系论者。在上面曾提到的《物理学哲学》书中的一篇名为“量子引力”（Quantum Gravity）（P.1287-1330）的文章，就是他所写的。

3.存在形式论[10]

“存在形式论”即“运动物质的存在形式论”的简称，也就是说时间空间的本质既不是某种物质客体，也不是诸物质个体间的关系或复杂的关系集，而是运动物质的存在基本形式。

这种唯物主义的时空观，完全是和当代量子场论与量子引力理论的成就相一致的。根据量子引力真空是物质的重要形态的论断[11]，所谓空空间，归根结底不过是真空物质的存在形式而已，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和时间的物质。可见空间和时间并非物质本身，本质上也不是指物质间的关系或关系集，而是运动物质存在的基本形式[13]。从而在量子引力真空理论基础上，融合吸取了空间时间实体论和关系论的合理因素，进一步论证和丰富了存在形式论基本思想。

（二）量子引力空间时间的断续性问题

关于空间时间是连续的还是断续的问题，当代量子引力无论是超弦/M理论还是圈量子引力等，都明确指出空间时间的量度是断续的即量子化的。实际上空间时间量子化观念的提出，也同样是有其历史根源的[12]。

在现代物理学中，作用量子、光子、基本电荷的发现，就启发了空间和时间具有间断性的思想。彭加勒在他的《晚近思潮》一书中，就根据普朗克的量子假设写道：“由此可见，我们接近了时间间断性流程，接近了时间的原子。”1930年，苏联物理学家阿姆巴楚米扬和伊万宁柯在他们的《论避免电子的无限自身反作用问题》一书中，特别提出了引用量子化空间、时间的想法，建议对空间和时间引用极限的数值。1938年，海森保在《论出现在基本粒子理论中普遍长度》一文中，发展了普遍长度即长度的普遍常量的思想，对这种长度进行了论证。1952年，伊万宁柯等在其《量子场论》一书中写道：“为了消除有关点形电子和其他粒子的困难那一目的，是否可在空间时间的几何学中引用普遍长度。”1958年，海森保仍然坚持在自然界中基本长度还是存在的的观点，其存在的根据就是物理学中的两个不变的自然常量，即普朗克常量h和光速c。这和当代量子引力理论如弦理论和圈理论所表示的普朗克长度和普朗克时间的形式相对比，也就只差一个引力常量G而已。

当代量子引力理论认为空间时间是离散性的即量子化的[13]，从而也就论证了物质组分结构具有不可分割的基元性，因为物质存在的基本形式是空间和时间。所谓空间时间是连续性的论断，只是在很大于普朗克时空标度情形下才是近似正确的。

（三）量子时空特性和物质运动规律及因果性问题

运动是物质的根本属性，时空是运动物质的存在形式。物质运动及相互作用的规律不同，其时空结构也因之而异。例如，时空结构有所谓运动学的和动力学的。

量子引力的原初目标，是要建立广义相对论和量子力学的统一理论。它讨论在普朗克标度情形的时空量子结构，例如圈量子引力，从而得出空间时间的特性和物质运动及相互作用规律存在着深刻的联系。至于因果集量子引力的时空结构的观点，则使得在量子理论中微观客体运动规律是否仍然具有决定论因果性的问题，重新被提出来进行研究。

[1]薛晓舟，张会.现代物理学哲学问题[M].开封：河南大学出版社，1996.

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

[3]K.Becker，M.Becker，J.Schwarz.String theory and M2theory.Cambridge University Press.2007.

[4]L.Crowell.Quantum fluctuations of spacetime.World Scientific.2005.

[5]C.Rovelli.Quantum gravity.Cambridge University Press.2004.

[6]R.Gambini，J.Pullin.Consistent discrete space2time.（Ed）..A.Ashtekar.100 years of relativity.415.WS.2005.

[7]F.Dowker.Causal sets and the deep structure of space2time.（Ed）.A.Ashtekar.100 years of relativity.445.WS.2005.

[8]李烈炎.时空学说史[M].武汉：湖北人民出版社，1988.

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

[10]马克思恩格斯选集：第3卷[M].北京：人民出版社，1972：91，556.

[11]薛晓舟.量子真空物理导引[M].北京：科学出版社，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.