宇宙是堆三角形？

请想象一个由大量微观三角形结构组成场景，这些三角形不停翻滚，排列组合成全新的模式。从远处看，这个场景中的一切表面似乎都很光滑；但是近距离观察就会发现，其中的一大堆几何图案，不停地搅动成各种奇形怪状的结构。这个看起来非常简单的模型，就是一种所谓“因果性动力学三角剖分”(causal icaltriangulation．缩写为CDT)理论的核心，它有望解决长期困扰物理学的那个最重要的问题——统一引力和量子力学。

20多年来，在对引力和量子力学统一理论的追寻和探索中，弦理论(string theory)一直走在前列，它假设基本粒子和基本力都是微小的能量弦。但是一些科学家声称，这一理论具有误导性，因为它将弦置于一个固定的背景之中；一个更好的模型，不仅应该产生粒子和相应的作用力，还应该生成供它们活动的舞台——时空本身。在20世纪八九十年代，这些研究人员发展出了圈量子引力理论模型，可以再现标准宇宙学理论的一些特征，例如空间随着时间的膨胀和收缩。(loop quantum gravity，缩写为LQG)，将时空描述成只有10^-33厘米大小的微小体积元构成的网络。尽管这一理论已经取得了一些重要成果，比如预言了黑洞的某些性质，但它还没有通过一个最基本的检验：证明这些杂乱的体积元组合在一起，一定能够产生我们日常生活所熟悉的四维时空。

CDT理论只有不到10年的历史，但它已经扫清了这个障碍。CDT理论主要由3位欧洲理论学家提出，他们分别是荷兰乌得勒支大学的雷娜特一洛尔(Renate Loll)、丹麦哥本哈根大学的扬·安比约恩(Jan Ambiorm)和波兰加格罗林大学的耶日·尤尔凯维奇(Jerzy Jurkiewicz)。CDT用一些简单的三角形结构来构造时空几何，就像巴克敏斯特，富勒(Buckminster Fuller，美国著名建筑师，以设计巨型穹顶而闻名于世)用三角形表面构建穹顶一样。CDT中最基本的建筑单元是4-维单形(4-simplex)，相当于一个四面体，只是位于四维空间之中。(就像一个四面体拥有4个三角形表面一样，一个四维单形的(“表面”由5个四面体构成。)虽然每个单形在几何上都是平坦的，但它们可以通过多种方式黏合起来，产生弯曲时空。量子理论要求，时空结构在极小的尺度上必须不停地变化，因此研究人员对单形所能产生的构造进行统计分析，将所有的可能性综合在一起，来确定整体的几何结构。

以前，研究人员也用这种方式对宇宙的几何结构进行过三角剖分，得到的结果都毫无意义：推导出来的宇宙要么拥有无穷维数，时空全都收缩在一起，要么只有二维，卷曲成了一个圆筒。CDT理论的关键在于，它排除了那些破坏因果律的结构(也就是允许结果先于原因出现的那些排列模式)。将这些不真实的构造从模型中剔除之后，CDT终于取得了成功。2004年，洛尔、安比约恩和尤尔凯维奇通过计算机模拟证明，用成千上万个单形构建起来的宇宙模型，的确是四维的。最近，这些研究人员还在计算机中演示，他们宇宙模型中的大尺度形状，与标准宇宙学理论的预言一致。

CDT理论的下一步工作，则是把物质引入这_模型，看看它是否能够模拟出完整的广义相对论方程。圈量子引力理论的倡导者之一，加拿大派瑞米特理论物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics，位于安大略省沃特卢市)的李·斯莫林(LeeSmolin)认为，这一理论最终也许能够得到一些可供检验的预言，例如，这种模型小尺度上的非经典几何结构，会导致高能光子运动速度上的细微变化。斯莫林说，CDT理论目前还没有得到理论物理学家应有的重视，也许是因为这种方法还严重依赖于计算机模拟。“这个课题并不容易，”他说，“依靠纸和笔推算出结果是非常困难的”。

译　陈益飞　校　虞　骏

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