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1700880491 [5].近些年来,广义相对论在极端环境实验中得到了证实。在这些实验中,质子被加速到了光速的99.999%,这是一个让人难以置信的超快速度。在这样高的速度下,相对论效应变得非常重要。粒子所携带的能量是它静止质量的100亿倍。如果这些实验的结果否认了相对性原理的有效性,我丝毫不会感到惊讶。许多量子引力理论预言,相对性原理会在这样高的能量尺度失效。还有些新近的观测证实了,所有光子确实在以相同的速度运动。这些观测的精度如此之高,以至于它们能测出一对光子在一起旅行了100亿年后,两者间是不是隔了一秒钟的距离。一些量子引力学家预测,光速会随着光子的能量变化。以上观测结果令他们失望。另有一些高精度的观测证实,中微子的速度不可能超过光速。(这些观测与所谓超光速中微子的报道同时发生,后者是2011年世界各地的头条新闻。)
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1700880493 [6].人们还提出过许多其他方法在广义相对论中定义最佳时间。到底哪种定义对,这终究是个科学问题,最终还要由今后物理学的发展决定,或许会由实验观测决定。在此,就让我们假设最佳时间存在,而不细究它的具体定义。以下列举了其他一些最佳时间的定义方法:Chopin Soo&Hoi-Lai Yu,“General Relativity Without Paradigm of Space-Time Covariance:Sensible Quantum Gravity and Resolution of the Problem of Time”,arXiv:1201.3164v2[gr-qc](2012);Niall Ó Murchadha, Chopin Soo,&Hoi-Lai Yu,“Intrinsic Time Gravity and the Lichnerowicz-York Equation”,arXiv:1208.2525vi[gr-qc](2012);George F.R.Ellis&Rituparno Goswami,“Space Time and the Passage of Time”,arXiv:1208.2611v3(2012)。
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1700880495 [7].Henrique Gomes, Sean Gryb,&Tim Koslowski,“Einstein Gravity as a 3D Conformally Invariant Theory”,arXiv:1010.2481v2[gr-qc](2011).
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1700880497 [8].由于一些技术上的原因,这一对偶被称为“反德西特/共形场论对应”(AdS/CFT)。
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1700880499 [9].想要了解更多形状动力学的读者可参阅本书的在线附录。
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1700880501 [10].在本章的开头,我提到广义相对论在对称时空下有些特别的解。这些解中包含绝对静止状态,因而也包含最佳时间。本章中的最佳时间与之不同。前文的最佳时间局限于广义相对论中的一类特殊解;本章中的最佳时间由形状动力学生成,它广泛存在,不需要时空具有对称性。形状动力学中的时空需要满足一个比较弱的约束条件,即可以对时空进行固定平均曲率切割。在将形状动力学应用于宇宙时空的过程中,我们不会受这一约束条件的阻碍。在形状动力学中,时间是全局的,也是动态的,它是由物质和引力场决定的。因此,我们并没有倒退回牛顿的绝对时间。大致来说,我们总是将时空依照最小的曲率分割。从某种意义上看,这很像肥皂泡。最小表面曲率决定了肥皂泡的形状,最小时空曲率决定了时空的切片。
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1700880503 00:15 空间的演生
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1700880505 [1].当我们告诉Saucier+Perrotte设计所的建筑师黑板应占多少空间时,他们提议让整栋建筑盖满石板和玻璃,这样就能让我们在上面尽情书写。
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1700880507 [2].这方面最新的综述,参见:J.Ambjørn et al.,“Nonperturbative Quantum Gra-vity”,arXiv:1203.3591v1[hep-ph](2012);“Emergence of a 4-D world from Causal Quantum Gravity”,Phys.Rev.Lett.93(2004)131301[hep-th/0404156]。
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1700880509 [3].Fotini Markopoulou,“Space Does Not Exist, So Time Can”,arXiv:0909.1861v1[grqc](2009).
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1700880511 [4].Tomasz Konopka, Fotini Markopoulou,&Lee Smolin,“Quantum Graphity”,arXiv:hep-th/0611197v1(2006);Tomasz Konopka, Fotini Markopoulou,&Simone Severini,“Quantum Graphity:A Model of Emergent Locality”,arXiv:0801.0861v2(2008);Alioscia Hamma et al.,“A Quantum Bose-Hubbard Model with Evolving Graph as Toy Model for Emergent Spacetime”,arXiv:0911.5075v3[gr-qc](2010).
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1700880513 [5].Petr Horava,“Quantum Gravity at a Lifshitz Point”,arXiv:0901.3775v2[hep-th](2009).
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1700880515 [6].T.Banks et al.,“M Theory as a Matrix Model:A Conjecture”,arXiv:hep-th/9610043v3(1997).
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1700880517 [7].一些专家会指出,体积和表面积都不是可观测物理量,因为它们不具有时空微分同胚不变性。但在某些情况下,体积和表面积确实是物理的。一种可能是,时空边界的微分同胚是固定的;体积和表面积可能是边界的属性。另一种可能是,时间的规范是固定的;在这种情况下,演化的物理描述可由哈密顿量产生。
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1700880519 [8].这方面的例子参见:Aurelien Barrau et al.,“Probing Loop Quantum Gravity with Evaporating Black Holes”,arXiv:1109.4239v2(2011)。
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1700880521 [9].“随时间演化”到底随的是什么时间呢?随你怎么定义时间!在圈量子引力中,时间的选取是任意的,这个理论是广义相对论的量子化;而在广义相对论中,时间的选取是任意的,这反映出广义相对论的多指性。
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1700880523 [10].在最早的圈量子引力中,人们认为图局限于性质极为简单的三维空间。我们没有固定诸如长度、面积、体积这样的可测量量,但我们固定了空间的维度,连通性以及拓扑性质。(这里,“拓扑”指空间黏在一起的方式。当空间的几何被连续扭曲时,拓扑性质将保持不变。)
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1700880525 我们可以通过一些例子很好地对拓扑加以阐释。最简单的是二维的例子。考虑一个封闭的二维表面,它可能是个球面,也可能是个环面(甜甜圈的样子)。你可以光滑地将一个球面变成其他许多形状,但你不可能光滑地把球面变成环面。如果一个甜甜圈有多个洞眼,那它又代表了一种不同的二维拓扑。
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1700880527 在固定了空间的拓扑之后,我们还要考虑将图嵌入空间的不同方法。举例来说,我们可以将图的两条边打上结,也可以把它们编成辫子,也可以用其他方法将它们相连。不同的嵌入方法将导致不同的几何量子态(尽管在最近的量子引力工作中,人们不再通过嵌入来定义图)。
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1700880529 [11].这方面的例子参见:Muxin Han&Mingyi Zhang,“Asymptotics of Spinfoam Amplitude on Simplicial Manifold:Lorentzian Theory”,arXiv:1109.0499v2(2011);Elena Magliaro&Claudio Perini,“Emergence of Gravity from Spinfoams”,arXiv:1108.2258v1(2011);Eugenio Bianchi&You Ding,“Lorentzian Spinfoam Propagator”,arXiv:1109.6538v2[gr-qc](2011);John W.Barrett, Richard J.Dowdall, Winston J.Fairbairn, Frank Hellmann, Roberto Pereira,“Lorentzian Spin Foam Amplitudes:Graphical Calculus and Asymptotics”,arXiv:0907.2440;Florian Conrady&Laurent Freidel,“On the Semiclassical Limit of 4d Spin Foam Models”,arXiv:0809.2280v1[gr-qc](2008);Lee Smolin,“General Relativity as the Equation of State of Spin Foam”,arXiv:1205.5529v1[gr-qc](2012)。
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1700880531 [12].从技术角度来看,它们是三维流形的三角刨分的对偶。
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1700880533 [13].Fotini Markopoulou&Lee Smolin,“Disordered Locality in Loop Quantum Gravity States”,arXiv:gr-qc/0702044v2(2007).
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1700880535 [14].多年以来,我断断续续地围绕这一想法展开了研究。参见:
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1700880537 Markopoulou&Smolin,“Quantum Theory from Quantum Gravity”,arXiv:grqc/0311059v2(2004);Julian Barbour&Lee Smolin,“Extremal Variety as the Foundation of a Cosmological Quantum Theory”,arXiv:hep-th/9203041v1(1992);Lee Smolin,“Matrix Models as Nonlocal Hidden Variables Theories”,arXiv:hepth/0201031v1(2002);
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1700880539 ——,“Quantum Fluctuations and Inertia”,Phys. Lett.A,113:8,408-12(1986);
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