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stefanzhang

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美女科学家

如果愛因斯坦與她相遇

撰文／格夫特（Amanda Gefter）
翻譯／甘錫安
審訂／高涌泉

馬可波羅-卡拉馬拉（Fotini Markopoulou Kalamara）小檔案
■量子物理學家，剛剛接下加拿大圓周理論物理研究院為期五年的可續聘職位。這是個「很能接受新想法」的研究院。
■如果她協助發展的「因果自旋網絡」理論是正確的，就表示宇宙的運作方式像一台巨大的量子電腦。
■她對工作的看法：「有樂趣是很重要的，否則你就會覺得壓力非常大。你會一直想，我一定得證明宇宙是由原子所構成的，啊啊啊啊啊……這樣會發瘋的！所以一定要保持輕鬆才行。」

她談起物理就像在談做菜。她說︰「我最拿手的就是從一無所有做出東西來，用一點這個、一點那個，再把東西黏起來。」訣竅是要弄清楚該用哪些東西，以及如何組合它們，等到烤箱鈴聲一響，宇宙就這樣出現啦。

31歲的馬可波羅–卡拉馬拉被譽為全世界最有前途的年輕物理學家之一。她剛剛接受加拿大滑鐵盧市圓周理論物理研究院的職位；這個研究院在加拿大的地位，相當於美國新澤西州普林斯頓的高等研究院。她在那裡與邁爾茲（Robert Myers）和斯莫林（Lee Smolin）等傑出物理學家一起工作，希望把愛因斯坦的廣義相對論和量子理論結合起來，解釋空間和時間的本質。

要達成這個統一理論，可能是現代物理學最大的一項挑戰。弦論一直是其中最被看好的研究方向，它認為物質的基本組成單位是極微小的一維弦，弦的各種振動，形成我們熟知的各種粒子，就像是音樂中的音符一樣。【这句话的意思是：弦理论认为所有的基本粒子如电子、光子、中微子和夸克都是弦的不同振动激发态。】

弦論雖然已經找到方法將重力納入物質的量子描述中，但有些物理學家認為它仍然不夠完備，無法成為萬物的最終理論。舉例來說，弦論預設了多達26個空間維度，遠超過已經知道的維度。更基本的問題是，雖然「弦」用於描述物質還算可行，但無法用來解釋它們振動的所在空間，或許較新的弦論可以解決這個問題。不過有一小群物理學家，包括斯莫林、美國賓州州立大學的艾虛德卡（Abhay Ashtekar），以及法國馬賽理論物理中心的羅維理（Carlo Rovelli）等人，則將大部份心力放在另一種方法上：環圈量子重力（LQG）。

在LQG中，現實世界由環圈構成，環圈間有交互作用也可結合，形成所謂的「自旋網絡」（spin network）。這個名詞是由英國數學家彭若斯（Roger Penrose）於1960年代首先提出，他將其看成抽象圖形。斯莫林和羅維理使用標準方法來量子化廣義相對論，從而發現隱藏在數學中的彭若斯網絡。這些圖形中的節點和邊緣，帶有離散的面積和體積單元，因此形成三維的量子空間，但由於這些理論物理學家是以相對論為出發點，因此在量子網絡之外還留有些許空間的模樣。

1990年代末馬可波羅–卡拉馬拉剛剛開始接觸LQG時，它便是發展到這樣的狀況。她是在偶然的情況下接觸這個主題的，這位出生於希臘雅典的理論學家說：「我到16、17歲才決定研究物理。在此之前，我什麼都想做，包括考古學家、太空人、畫家等等。」她在英國倫敦大學就讀大學部時，一個修習理論物理的朋友，建議她去聽倫敦大學帝國學院量子重力學家愛沙姆（Chris J. Isham）的課。「上課地點剛好在我回家途中，所以我每星期去聽一次；我非常喜歡上這堂課。」她說服愛沙姆當她的指導教授，後來她取得量子重力學的博士學位，隨後跟隨賓州州立大學的斯莫林，從事博士後研究。

馬可波羅–卡拉馬拉解決LQG中外在空間問題的方法是問：為何不以彭若斯的自旋網絡為出發點（它並不嵌於任何原先就有的空間中），再加入一些由LQG得到的結果，看看會是什麼樣子呢？結果，所形成的網絡既不存在於空間中，也不是由物質構成；相反地，這種特殊結構反而建構出空間和物質。在這個圖像中沒有物體，只有幾何關係；空間並非供粒子撞擊、跳動的場所，而是由不斷改變的圖樣和過程所構成的萬花筒。

每個自旋網絡就像一張快照，即宇宙中某個凍結的瞬間。自旋網絡形成後，便依循簡單的數學規則演化、改變，變得更大更複雜，最後變成我們居住的無垠太空。

追溯這個演化過程，馬可波羅–卡拉馬拉就可以解釋時空的結構。她特別指出，這些抽象的環圈可構成愛因斯坦理論中最顯著的特色之一：光錐（light cone，見右圖，以光速對時間及三度空間（含x、y、z）繪出的圖形，可定義出與某事件的過去及未來相關的所有事情），也就是說，光或其他任何東西在光錐這樣的時空區域中，必定能夠抵達某個特定事件。光錐可以確保起因在前，而結果在後。要了解這個概念，可以抬頭仰望星空，我們知道有數不清的星星是看不見的，因為宇宙形成至今的時間，還不足以讓這些星星的光到達地球；也就是說，這些星星位於我們的光錐之外。

但是，目前還不知道要如何把光錐與自旋網絡結合起來。自旋網絡受限於量子力學，在那個不確定性的大千世界中，任何一個網絡都可能演變成無限多種新的網絡，而沒有任何因果歷史痕跡可供追溯。斯莫林說：「就目前所知的語彙，我們不知道如何將因果概念放入LQG內。」馬可波羅–卡拉馬拉則發現，若將光錐併入自旋網絡的節點內，它們的演化結果就不是無限的，因果結構也得以保留。

但是，用一個自旋網絡來代表整個宇宙，會造成很大的問題。根據量子力學的標準解釋，在觀察者做實驗察驗到事物的狀態之前，事物的狀態只有機率的意義，但沒有一個觀察者可以身在宇宙之外回頭觀察自身；如果是這樣，宇宙到底以何種方式存在？馬可波羅–卡拉馬拉說：「這點確實很難解釋。到底誰在觀察宇宙？」對她而言，答案是：我們。宇宙將自己的觀察者包含在內，以自旋網絡中的節點表示。她的想法是，要描繪這幅巨大的景象，你不需要一位畫家，用很多畫家也可以。特別是她發現到，她用來將因果結構帶入量子時空所用的光錐，也可用來具體定義每個觀察者的觀點。

由於光速是有限的，因此你能看見的宇宙也有限。你在時空中的位置是獨一無二的，因此你看見的部份與其他人看見的會略有不同。雖然沒有身在宇宙外的觀察者可取得所有資料，但我們仍可利用每個人所能取得的部份資料，來建立出有意義的宇宙圖像。有個想法相當有趣：我們各自擁有自己的宇宙，不過彼此重疊的部份很多。馬可波羅–卡拉馬拉解釋說：「我們大多數人看見的是相同的東西。」這也就是為什麼儘管身處量子化的時空，我們看見的宇宙仍是平滑的。雙親都是雕塑家的馬可波羅–卡拉馬拉下結論說：「我認為理論物理和藝術非常相似，要把這些事物拼湊起來，就像運用黏土，從一無所有做出一些東西來，而且必須面面俱到。我喜歡發揮創造力的部份，但我也同樣喜歡驗證的部份。」

驗證的時刻很快就到了。雖然還有些細節待解決，例如如何由量子因果性推導出一般的一維時間，但她認為，如果觀察結果能確認自旋網絡的基本特性，她就能解決其他問題了。有項實驗可追蹤來自數十億光年外的伽碼射線光子，如果時空實際上是離散的，那麼個別的光子應可依其本身的波長，而以略微不同的速度行進；馬可波羅–卡拉馬拉正試圖探究波長與速度的關係。

果真如此，她的預測將永遠改變我們對空間結構的看法。未來數年有好幾項量子重力實驗開始進行。馬可波羅–卡拉馬拉說：「我一直告訴自己，如果它沒有變成真實的物理，如果它和實驗發生不了關聯，我就要到紐約找份薪水優渥的工作。我知道事情很可能這樣發展，這種可能性一直存在。」而此同時，她仍繼續努力工作，等待烤箱的鈴聲響起。

发表时间：2004-03-31, 22:32:57

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yinhow

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Throwing Einstein for a Loop

<>, Profile ,December 2002 issue

Throwing Einstein for a Loop
Physicist Fotini Markopoulou Kalamara has developed a way to connect relativity with quantum theory--while making sure that cause still precedes effect
By Amanda Gefter

http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=0007E95C-9597-1DC9-AF71809EC588EEDF&sc=I100322

发表时间：2004-04-01, 00:10:24

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