时空结构“本性”受粒子类型的影响

在宇宙发生大爆炸之前，人们熟知的时空概念实际上并不存在，时空结构产生了，宇宙大爆炸创造了时空世界，一直以来，时空物理学的基本问题是理论物理学家探知的焦点。波兰华沙大学物理系的学者研究了多年的时空结构问题，最近的理论研究结果令人感到惊诧，“量子引力”引发和主导了宇宙的开端，所有的基本粒子不是受到了同样空间——时间结构的支配，随着粒子的不同，时空结构发生了相应的变化。在宇宙开端的大爆炸时刻，物质、时间和空间被压缩到极致的状态，极早期宇宙有极大值的物质密实度和热度，引力的极大值将基本粒子压缩为宇宙“奇点”。数十年来，世界各地的物理学家极力探究了量子引力的存在和特性，量子引力在宇宙诞生的原点发挥了物理机制的主导作用。

波兰华沙大学物理学系（FUW）的杰吉·莱万多斯基教授带领了一个科学小组，他们出席了第20届广义相对论和引力（GR20）的国际大会，也出席了第10届爱德华多·阿玛尔迪引力波（Amald10）的国际会议，科学小组在学术会议上提交了最新的量子宇宙模型，大约900位来自世界各国的物理学家和天文学家聆听了波兰小组推出的“科学好创意”。宏观的时空概念对每个人的意义有所不同，微观的时空结构对每个粒子有不同的呈现。莱万多斯基教授和博士研究生助手安德里亚·戴普尔在学术报告中指出，不同的基本粒子经历了不同的空间——时间概念。

使用“圈量子引力”（LQG）的概念描述了量子引力，科学小组的研究课题遵循了理论假设的思路，从某种程度上讲，空间——时间结构与纤维组织十分相似，“圈量子引力”所在的时空由微小、圈状和大密集数量的纤维组织构成。在圈量子引力对应的时空结构的数学模型中，1平方厘米的时空间域或时空场由100万的万亿万亿万亿万亿万亿倍（5个万亿）或10的66次方个纤维单元组成，最小的时空纤维相当于最小的时空单位。

三年以前，华沙大学物理系的科学小组创建了“圈量子引力”（LQG）的数学模型，假设性的连续时空模型将现代物理学的两大分支——量子力学和广义相对论融合在一个模型中，从整体上描述了两个相互联系的物理分支，一个分支深入了引力领域，广义相对论描述了时空结构，确定了引力的性质，实际上是质量弯曲了时空，弯曲时空产生了引力效应。一个分支深入了标量或纯量领域，最简单的物质类型和物质数量分布在每一个空间的交叉点。

科学小组以量子论为基础创建了时空模型，人们在日常活动中接触的时空世界与之非常不同，但人们熟悉的时空世界是从最初量子引力的时空结构转化而来的，物质和量子引力产生了相互作用，导致了经典空间——时间样态的出现。科学小组认为，同一类型的物质在与空间——时间的相互作用中展示了相同的特性。在解释物质与时空相互作用的认识中，科学小组第一次创建了两者相互作用的模型，有两种量子引力与物质粒子产生相互作用的最简单情形，一是零静止质量粒子的参与，二是非零静止质量粒子的参与，现代物理学的标准模型揭示了了基本粒子和粒子相互作用的情形。

光子是一种零质量的粒子，著名的希格斯粒子或希格斯波色子是一种非零质量的粒子。希格斯粒子的质量是一个纯量或一个标量，希格斯粒子或“上帝粒子”为其它粒子赋予了质量，这些粒子包括了夸克、电子、介子、陶子和与它们有关的中微子。从量子引力模型出发，科学小组推导了粒子行为的方程式。在不同的对称性空间——时间条件下，在不同类型的粒子相互作用中，科学小组检验了相似性和不相似的方程式，在零质量粒子的情形中，使用方程式验证了粒子对应的空间——时间的各项同性或时空在所有方向有同等的性质，无论零质量的光子有多大或多小的能量，有多大或多小的动力，光子对应的时空在所有方向表现了一致性。

在非零质量粒子的情形中，粒子与时空的对应性有所不同，粒子质量在理论模型中似乎成为了一项附加的条件，不可能建立一个典型的时空结构，既满足了粒子的质量条件，也满足了时空在所有方向有相同特性的条件，只能建立各向异性或各向不同的时空结构。在各向异性时空结构的情形中，粒子的运动方向即是空间——时间结构的优先方向。非零质量的粒子在运动中经历了不同性质的空间——时间结构，每一种有质量的粒子对应了“自身版本”的空间——时间概念，粒子的运动方向决定了它们经历的时空的特性。

宇宙中有质量粒子的运动造成了时空结构的各项异性，奇异的构想引起了物理学家的兴致。科学小组探究了量子世界的行为，相对于一个在量子化的粒子世界，人们处于一个宏观化的外在世界，只能用经典力学的概念看待周围的时空结构。宇宙时空似乎没有方向偏好或有各向同性的特征，大量观测和物理实验的数据难以直接证明科学小组的时空模型，从观测和实验结果检验科学小组的结论，绝非是一个简单明了的事情，理论假说不同于对理论假说的证实。科学小组的理论研究得到了波兰科学、高等教育部和波兰国家科学中心的帮助，波兰华沙大学物理系有200多位教师和研究人员，80%以上的教师和科研人员有教授职称，波兰大学物理系吸引了1000多名学生入学，在物理学的不同领域进行了卓有成效的探索。

（编译：2021-8-2）

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