宇宙的起源是大爆炸嗎？但這理論並不具備完善的時空量子結構！

宇宙可能起源於由奇特的量子引力效應所驅動的大反彈——這表示大爆炸不再是宇宙萬物的起點了。

愛因斯坦的廣義相對論說，宇宙源自奇點大爆炸。但這理論並不具備完善的時空量子結構，因此，我們無從得知物質緊密匯聚的極限與引力強度的範圍。物理學家需要一套新的量子引力理論，才能明了究竟發生了什麼事情。

根據「圈量子引力理論」，空間可被細分為許多具有體積的「原子」單位。由於它們僅有有限的容量可儲存物質與能量，因此奇點是無法真正存在的。

若果真如此，宇宙產生的時間就有可能推到大爆炸之前。大爆炸前的宇宙或許曾非常劇烈地收縮成具有極大密度的一點，然後反轉整個過程。簡單地說，就是由大崩塌導致大反彈，最後才變成大爆炸。

由於原子的概念在現代已經是老生常談，我們很難想像它曾經是個多麼荒誕不經的想法。幾個世紀前，當科學家第一次假設原子存在時，他們絕望地認為這麼小的東西絕不可能觀測得到，甚至有許多人質疑原子這樣的概念是否合乎科學。不過，原子存在的證據逐漸累積，終於在1905年因為愛因斯坦分析了液體中微塵顆粒隨機跳動的布朗運動，達到了高峰。即便如此，物理學家仍然花了20年才提出解釋原子的理論， 也就是量子力學。又過了30年之後，物理學家米勒才第一次用顯微鏡觀察到原子的身影。今天，物理學各領域的發展，幾乎都以物質原子的特殊性質為基礎。

物理學家對時間與空間組成的理解亦經過了類似的過程，但還未達到成熟的階段。正如從物質的行為可看出它們是由原子構成的一樣，空間與時間的行為也暗示了它們具有某些細微的結構——可能是由類似 「時空原子」組成的馬賽克構造，或是某種網狀系統。物質原子是化合物不可分割的最小單位；同理，想像中的「時空原子」是時空不可分割的最小單位，一般認為它們的直徑只有大約10-35米，小到連當今可探測到10-18米的距離的最強大的儀器都無法看到。所以，許多科學家甚至質疑這種「時空原子」 的概念是否合乎科學原理，不過， 也有許多科學家不受影響，相繼提出間接觀測「時空原子」的方法。

看似最有希望的方式，與宇宙的觀測有關。如果能倒轉宇宙的時間，我們所見的星系會全都匯聚到一個無限小的點：大爆炸奇點。

愛因斯坦的廣義相對論預言，宇宙在該點上具有無窮大的密度與溫度，一般認為，這是宇宙的起點，物質、空間與時間從此誕生。不過，這種詮釋有些過頭了，因為無限大的數值表示廣義相對論本身在此失效。為了理解大爆炸時究竟發生了什麼，物理學家必須發展出一套超越相對論的、能夠捕捉到時空細微結構的量子引力論，以攻克廣義相對論完全無能為力的問題。

該結構的細節產生於太初宇宙的緻密環境中，從現今物質與輻射的分布上或許能看出一些蛛絲馬跡。簡單地說，假如「時空原子」確實存在，我們將不會像物質原子一樣得花上好幾百年才找到證據。靠點運氣，我們或許就能在未來10年內知道此事的大致輪廓。

物理學家已經設計出一些量子引力的可能理論，每個理論都將量子原理以不同的方式應用在廣義相對論上。我的工作鎖定在「圈量子引力理論」，那是在20世紀90年代經過兩個步驟發展出來的理論。首先，理論物理學家以數學方法重新將廣義相對論公式化，讓它看起來很像古典的電磁理論；這一理論就是因為模擬於電場和磁力線而得名的。其次，依循某些與扭結數學相同的創新程序，將量子原理應用到環圈上，以此導出的量子引力理論，預測了「時空原子」的存在。

其他的理論，像弦理論與所謂的「因果動力三角形」等，並沒有預言「時空原子」，但認為有其他的方式可讓極短的距離成為不可分割的物理量。這些理論間的差異已引起了許多爭論，但對我而言，它們之間的矛盾並沒有大到不可調和的地步。舉例來說，若想統一在微弱引力狀況下粒子間的交互作用，弦理論是非常有用的理論，但若想分析在引力場強大的奇點上究竟發生了什麼事情，「圈量子引力」的原子建構則更為有效。

圈量子引力理論「圈量子引力理論」是由阿貝·阿希提卡、李·施莫林、卡洛·洛華利等人發展出來的量子引力理論，與弦理論一起成為目前將引力論量子化最成功的理論。

物理學家阿貝·阿希提卡稱：「儘管愛因斯坦廣義相對論在解釋宇宙方面表現出眾，甚至可以描述到宇宙的起源，但是在接近宇宙大爆炸時，物質密度變得極大，相對論就不再適用了。要解釋大爆炸之前的宇宙，我們就得應用量子理論，而在愛因斯坦時代，這種理論還沒有出現。」

阿希提卡和他的兩位博士後研究員托馬斯·保羅斯基和帕姆普里特·辛格，正試圖用量子理論解釋大爆炸前的宇宙形態。他們利用「圈量子引力理論」建立了數學模型，可以直接描述宇宙大爆炸，甚至解釋爆炸前的情景。另一方面，阿希提卡說，在大爆炸之前存在著另一個時空幾何的宇宙，與現在的宇宙十分相似，只是它不是在膨脹，而是隨著時間的推移逐步縮小。他還說，其實宇宙的變遷並非傳統意義上的大爆炸，而是一次量子跳躍。

「圈量子引力理論」被認為是將廣義相對論和量子物理學相統一的最有效手段。「這種理論假定時空幾何本身有離散的『原子』結構，」阿希提卡解釋道，「與我們熟悉的時空連續性不同，『圈量子引力理論』認為空間是由一維量子構成，在接近大爆炸時，這種構造被劇烈地打破，量子自身的屬性使得物質引力相互排斥，而非相互吸引。

「儘管早些時候就已經有大爆炸前存在另一個宇宙的設想，但是用數學模型來系統描述『前宇宙』的存在並推斷它的時空幾何還數首次。」阿希提卡說，「我們起初的工作是模擬出一個與當今宇宙同質的宇宙。我們對『圈量子引力理論』充滿信心，我們將繼續完善這個模型，以便更好地描述我們已知的這個『前宇宙』，並且更好地理解量子引力的特點。」

「圈量子引力理論」到底能告訴我們多少有關「前宇宙」的事情？答案是不多。如果理論推理正確，唯一能肯定的就是反彈的確發生過。不過，這並不意味著我們無法了解更多有關早期宇宙的知識。天文學家已經在宇宙背景中發現了一些模式，這些模式很顯然是在大爆炸發生的同時產生的電子大小的不規則殘留物，而那裡很可能隱藏著某些暗示。

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