量子引力时空和物质存在形式论

第３７卷　第１期　河南师范大学学报（哲学社会科学版）　２０１０年１月　Ｖｏ１．３７　ＮＯ．１　Ｊ０ＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＮＡＮ　ＮｏＲＭＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｊａｎ．２０１０　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）　摘　要：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。　关键词：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　中图分类号：Ｎ０３１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—２３５９（２０１０）０１—００１７—０３　作者简介：薛晓舟（１９２９一），男，河南修武人，河南师范大学理论物理研究所教授，主要研究方向：粒子物理学，当代　物理学哲学问题。　物理学是研究物质的组分结构、运动及相互作用规律和　空的不确定关系，也是ＡｘＡｐ　ｈ，ＡｔＡＥ￣ｈ。　空间时间特性的自然科学＿】］，量子时空理论则是研究物质的　在量子力学中，虽然粒子运动的规律是量子的，但是关　空间时间量子特性的物理理论。本文分三个部分论述量子　于空间、时间的变易还是连续的，因此量子力学的时间空间　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　观念仍是经典性的。　空间时间观念，其次研究当代量子引力理论中的时空观念，　（三）量子场论的经典时空观念　最后探讨与量子引力空间时间本质有关的哲学问题。　这里说的“量子场论”是指不含有引力作用的量子场论，　一、现代物理学中的经典空间时间观念　或虽含有引力作用但引力仍是作为非量子化来处理的。我　现代物理学主要是指２ｏ世纪物理学，其内容有“经典”　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　和“量子”的不同。所谓“经典”是指物理量的变化为连续的，　形加以论述。　“量子”是指物理量的变化为断续的。　首先讨论平直时空量子场论的时空经典性。在粒子物　（一）相对论的经典时空观念　理学的标准模型中，当讨论电磁作用的量子电动力学、弱电　爱因斯坦在２Ｏ世纪初期所建立的相对论，有狭义相对　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　论和广义相对论之分。狭义相对论，其时空观念是运动学　念是狭义相对论的，即经典的，而场论则是量子的。费曼在　的，背景有关的；广义相对论，其时空观念是动力学的，背景　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　无关的。但是它们的时间、空间量度的变易却都是连续而非　时间是断续的即量子化时，无穷大困难就可以消失。其次讨　断续的，即经典的。　论弯曲时空量子场论Ｉ２］的时空经典性。弯曲时空量子场论　（二）量子力学的经典时空观念　又称半量子广义相对论，即场论是量子的，时空特性则是广　量子力学有非相对论量子力学和相对论量子力学的区　义相对论即经典的，此理论曾取得了不少成功。　别。在海森保、薛定谔的非相对论量子力学中，粒子运动速　二、当代量子引力理论中的量子时空观念　度是低速的（　＜＜ｃ），规律是量子的（ｈ≠Ｏ），运动和时空的　量子引力理论简称量子引力，它是有关引力作用的量子　不确定关系是ＡｘＡｐ￣ｈ，ＡｔＡＥ￣ｈ，此中Ｃ是真空中的光速，　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　ｈ是普朗克常量。在狄拉克建立的相对论量子力学中，粒子　形下的延续。量子引力的发展形式，大体上可分为前期和当　运动速度是高速的，规律是量子的，即口≈ｃ，ｈ≠０；运动和时　代两种情况。前期主要是指上世纪８Ｏ年代以前发展的，当　收稿日期：２００９—０２—１１　・　１７　・　代主要是指８Ｏ年代以来所发展的超弦／Ｍ理论和圈量子引　对于物理实在的基本量子性结构，因果集理论认为需要　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　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。　１．空间及时间量度的量子性　超弦理论时空是１Ｏ维的，其中时间是１维的，空间是９　维的；Ｍ理论即膜理论，其时空是１１维的，时间同样是１维　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　的，空间则是１Ｏ维的。超弦／Ｍ理论的空间度量和时间度　量，都是断续的即量子化的。空间长度的量子大小是普朗克　么”；第二，量子引力空间、时间的间断性；第三，量子引力空　ｒ　广　长度　一√　～１ｏ一　。时间间隔的量子是普朗克时间　一　＾／　～１ｃ　０一ｎ，此中Ｇ是引力常量。　２．时空量子涨落［４　空间时间的不确定关系是ＡＸＡｔ￡　，这里１　作为自然　切割量，也就是通常所说的弦特征长度。上式给出了只含空　间和时间坐标的不确定表示，从而展现了空间时间量子涨落　，的重要信息。　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　研究结果表明，空间面积和体积的量度都是量子化的，　可以简要地表示为面积Ａ～　，体积　～矗，此中ｃ　是所谓的　普朗克长度。　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［　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￡　＋　一　一￡　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。　・　】８　・　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）Ｌ９　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＿１　“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。　了论证。１９５２年，伊万宁柯等在其《量子场论》一书中写道：　这种唯物主义的时空观，完全是和当代量子场论与量子　“为了消除有关点形电子和其他粒子的困难那一目的，是否　引力理论的成就相一致的。根据量子引力真空是物质的重　可在空间时间的几何学中引用普遍长度。”１９５８年，海森保仍　要形态的论断　，所谓空空间，归根结底不过是真空物质的　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　存在形式而已，没有无物质的空间和时间，也没有无空间和　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　时问的物质。可见空间和时间并非物质本身，本质上也不是　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　指物质问的关系或关系集，而是运动物质存在的基本形　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　式＿１　。从而在量子引力真空理论基础上，融合吸取了空间　常量Ｇ而已。　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　当代量子引力理论认为空间时间是离散性的即量子化　形式论基本思想。　的　，从而也就论证了物质组分结构具有不可分割的基元　（二）量子引力空间时间的断续性问题　性，因为物质存在的基本形式是空间和时间。所谓空间时间　关于空间时间是连续的还是断续的问题，当代量子引力　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　无论是超弦／Ｍ理论还是圈量子引力等，都明确指出空间时　近似正确的。　间的量度是断续的即量子化的。实际上空间时间量子化观　（三）量子时空特性和物质运动规律及因果性问题　念的提出，也同样是有其历史根源的［１　。　运动是物质的根本属性，时空是运动物质的存在形式。　在现代物理学中，作用量子、光子、基本电荷的发现，就　物质运动及相互作用的规律不同，其时空结构也因之而异。　启发了空间和时间具有间断性的思想。彭加勒在他的《晚近　例如，时空结构有所谓运动学的和动力学的。　思潮》一书中，就根据普朗克的量子假设写道：“由此可见，我　量子引力的原初目标，是要建立广义相对论和量子力学　们接近了时间间断性流程，接近了时间的原子。”１９３０年，苏　的统一理论。它讨论在普朗克标度情形的时空量子结构，例　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　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　的无限自身反作用问题》一书中，特别提出了引用量子化空　作用规律存在着深刻的联系。至于因果集量子引力的时空　间、时间的想法，建议对空间和时间引用极限的数值。１９３８　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　年，海森保在《论出现在基本粒子理论中普遍长度》一文中，　然具有决定论因果性的问题，重新被提出来进行研究。　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　参考文献：　－１１］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　Ｍ－ｔｈｅｏｒｙ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ．２００７．　ｒ４］Ｌ．Ｃｒｏｗｅｌ１．Ｑｕａｎｔｕｍ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｐａｃｅｔｉｍｅ．Ｗｏｒｌｄ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ．２００５．　［５］ｃ．Ｒｏｖｅｌｌｉ．Ｑｕａｎｔｕｍ　ｇｒａｖｉｔｙ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ．２００４．　［６］Ｒ．Ｇａｍｂｉｎｉ，Ｊ．Ｐｕｌｌｉｎ．Ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅ．（Ｅｄ）．．Ａ．Ａｓｈｔｅｋａｒ．１００　ｙｅａｒｓ　ｏｆ　ｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ．４１５．ＷＳ．２００５．　［７］Ｆ．Ｄｏｗｋｅｒ．Ｃａｕｓａｌ　ｓｅｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅ．（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．Ｎｏｒｔｈ－Ｈｏｌｌａｎｄ．２００７．　［１Ｏ］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．　Ｅ１２］Ｂ．Ｈ．ＣＢＨＩＩ，ｅｐＣＫＨ￣Ｉ．Ｉ＂［ｐｏｃＴｐａＨＣＴＢＯ　Ｈ　ＢｐｅＭ￣Ｉ．ｒｏｃｎ０ＪＩＨＴＨ３ⅡａＴ．１９５８．　［１３］Ｍ．Ｇａｓｐｅｒｉｎｉ．Ｔｈｅ　ｕｎｉｖｅｒｓｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｂｉｇ　ｂａｎｇ．Ｃｏｓｍｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｓｔｒｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ．２００８．　’［责任编辑张家鹿］　・　１９　・