撰文╱斯莫林（Lee Smolin），加拿大圓周理論物理研究學者
翻譯／林世昀
已通過數道檢驗關卡
我已經略述了在普朗克尺度下，環圈量子重力對時間與空間有什麼說法，可是我們並沒有辦法考察這個尺度下的時空，來直接地驗證這個理論。這個尺度實在太小了。所以，我們要怎樣來檢驗我們的理論呢？一個重要的檢驗是，我們能否從環圈量子重力導出一個近似理論，而它就是古典廣義相對論？換句話說，假如自旋網絡像是織出一塊布的絲線，這就如同在問：我們是否能將幾千條絲線的性質加以平均，來算出這片布料正確的彈性。當自旋網絡在好多個普朗克長度之下做了平均以後，是否能以一種與愛因斯坦古典理論的「平滑布料」約略相符的方式，來描述空間的幾何及其演化？這是個困難的問題，不過近來已經有學者在幾個特例（或可以說是物質的某些形態）上有所進展。比如說，波長較長的重力波，在平坦（沒被彎曲）的時空中傳播，便可以描述為環圈量子重力理論中特定量子態的激發狀態。
另一個成果豐碩的檢驗，是針對一個長久以來重力物理與量子理論的謎：「黑洞熱力學」，特別是和無序性有關的熵。我們來看看環圈量子重力對此有什麼說法。物理學家計算關於黑洞熱力學的預測，用的是一種混合的近似理論，其中的物質以量子力學處理，但時空並不是。一個重力的完整量子理論，如環圈量子重力，應該要能重現這些預測。具體而言，1970年代，現於以色列耶路撒冷希伯來大學的柏肯斯坦（Jacob D. Bekenstein），曾推論黑洞熵必須正比於其表面積（參見《科學人》2003年9月號〈資訊、黑洞、全像宇宙〉）。不久之後，霍金（Stephen Hawking）推演出黑洞（特別是小黑洞）必須放出輻射。這些預言，名列過去30年中理論物理最偉大的成果。
為了用環圈重力理論做計算，我們將邊界B取為黑洞的事件視界。當我們分析有關量子態的熵時，我們所得到的正完全符合柏肯斯坦的預測。同樣地，這個理論也重現了霍金對黑洞輻射的預言。事實上，它還對霍金輻射的精細結構做了更進一步的預測。只要有微小的黑洞被觀測到，就可以研究從它發出的輻射光譜，來檢驗這項預測。話說回來，這可能是很久以後的事情，因為我們根本沒有製造黑洞的技術，更別提是小的還是大的了。
實驗技術上的障礙
空間是由一條條絲線所編織而成
的確，乍看之下，任何環圈量子重力的實驗檢測，都是技術上的巨大挑戰。麻煩在於，這個理論所描述的特徵效應，只有在普朗克尺度這個微小的面積與體積量子下，才會變得明顯。比起目前計畫中最高能量的粒子加速器所能探測到的尺度（探測越短的距離尺度，需要越高的能量），普朗克尺度還要小上16個數量級。由於我們無法運用加速器來達到普朗克尺度，許多人對於量子重力理論的驗證，已經不抱什麼希望了。不過，在過去幾年裡，已經有一些想像力豐富的年輕學者，想出了立即可行的新方法，來檢驗環圈量子重力的預測。這些方法靠的是光在穿越宇宙時的傳播過程。當光穿過介質時，它的波長會受到一點扭曲，而導致一些偏折（就像光穿過水面所產生的效應）或是不同波長的色散效應。這些效應在光和粒子穿過自旋網絡所描述的離散空間時，也會發生。
不幸的是，這些效應的大小和普朗克尺度對波長的比值成正比。對可見光來說，這個比值比10-28還小；就算對至今測到過最強的宇宙射線來說，這個比值也只有十億分之一。對於任何我們能觀測到的輻射，空間的顆粒結構所產生的效應都非常小。但這些年輕學者注意到，當光走過一段長距離時，這些效應會累積。因此我們可以去偵測來自數十億光年以外，如從γ射線爆發等事件（參見延伸閱讀2）所發射出來的光與粒子。
γ射線爆發會在非常短的爆炸內，噴發出能量範圍相當大的光子。烏拉圭共和國大學的甘比尼（Rodolfo Gambini）、美國路易斯安那州立大學的普林（Jorge Pullin）與其他人用環圈量子重力所做的計算，預測不同能量的光子會以略微不同的速率行進，因此到達的時間會有些許差異（見左頁圖）。我們可以在γ射線爆發的衛星觀測資料中尋找這個效應。目前為止的精確度，約為所需的千分之一，不過，預計在2006年升空的新觀測衛星「大區域γ射線太空望遠鏡」（GLAST），將會有符合我們所需的精確度。
讀者也許會問，這個結果是否意味著愛因斯坦的狹義相對論是錯的，因為狹義相對論預測了光速恆為常數。許多人，包括義大利羅馬薩賓扎大學的阿梅利諾–卡梅利亞（Giovanni Amelino-Camelia）、英國倫敦大學帝國學院的馬逵荷（Joao Magueijo），以及我本人，已經導出了愛因斯坦理論的修正版本，可以容許高能光子有不同的行進速率。我們的理論主張，原來狹義相對論中，那個不變的光速是能量非常低（或是波長非常長）的光子，才具有的速率。
離散時空的另一個可能的效應，牽涉到極高能量的宇宙射線。30多年前，就曾有學者預測，宇宙射線中能量超過3×1019電子伏特的質子，會被充塞於空間中的微波背景輻射所散射，因此永遠到不了地球。令人困惑的是，日本一個叫做「明野廣域空氣粒子雨觀測裝置」（AGASA）的實驗，已經偵測到多於10個能量高於這個上限的宇宙射線。原來空間的離散結構，居然能提高散射反應所需的能量，而允許更高能量的宇宙射線質子到達地球。因此如果AGASA的觀測持續下去，而且找不到其他的解釋，那麼我們也許早就偵測到空間的離散性而不自知了。
原始資料 : http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=378&DocNo=600
