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时空究竟是由什么构成的?

  来源:scientificamerican

  撰文:Adam Becker

  翻译:任天

大爆炸的“回声”可能还残留在如今的天空中,验证量子引力的最好办法可能是通过宇宙学观测大爆炸的“回声”可能还残留在如今的天空中,验证量子引力的最好办法可能是通过宇宙学观测
  时空可能来自一个更基本的现实。只有弄清楚时空如何出现,才能解开物理学中最紧迫的难题——量子引力理论。

  娜塔莉·帕奎特是美国华盛顿大学的理论物理学家,她一直在思考一个问题:如何增加一个额外的维度。从分散在空间和时间每一个点上的小圆圈开始,这些圆圈可以视为一个绕回自身的旋曲形维度;然后,把这些圆圈缩小,越来越小,越来越紧,直到发生一场奇怪的转变:这个维度不再看起来很小,而是变得巨大,就如你发现某个看起来很小且很近的东西,实际上不仅巨大而且遥远。“我们正在使一个空间方向缩小,”怕奎特说,“但当我们试图把它缩小到某个特定的点时,一个新的、大的空间方向就出现了。”

  帕奎特并不是唯一思考这种奇怪维度嬗变的人。在物理学的不同领域,越来越多的物理学家尽管研究方法不同,但都逐渐认同一个深刻的想法:空间,甚至时间,都不是基本的事物。相反,空间和时间可能是从更基本的自然组分的结构和行为中“涌现”出来的。在现实的最深处,诸如“何处?”“何时?”这样的问题可能根本就没有答案。我们从物理学中得到了很多暗示,我们所理解的时空并不是基本的事物。

  这些激进的观点来自于量子引力理论研究的最新进展。一个多世纪以来,物理学家们一直在寻找最佳的量子引力理论。目前最具有说服力的引力理论是广义相对论,由阿尔伯特·爱因斯坦提出,阐述了物质如何扭曲空间和时间。另一种解释万物的理论是量子物理学,当涉及到物质、能量和亚原子粒子的性质时,量子物理学惊人地精确。这两种理论都轻松通过了物理学家们在上个世纪所能设计的所有测试。有人可能会想,把二者放在一起,就能获得所谓的“万有理论”。

  然而,这两种理论并不相容。如果你想知道在量子力学的背景下应用广义相对论会发生什么,就会得到矛盾的答案,你的计算中会出现难以驾驭的无穷数。大自然知道如何将引力应用于量子环境中,包括大爆炸的最初时刻,也包括黑洞的中心,但我们仍在努力理解这一过程是如何实现的。部分问题在于这两种理论处理空间和时间的方式,量子力学认为空间和时间是不可变的,而广义相对论则将它们随意扭曲。

  某种程度上,量子引力理论需要调和这些关于空间和时间的不同观点。要做到这一点,一种方法是让空间和时间从更基本的事物中产生,从源头——时空本身——上解决这个问题。近年来,几个不同方向的研究都表明,在现实的最深层,空间和时间并不以我们日常世界中的方式存在。过去十年中,这些观点从根本上改变了物理学家对黑洞的看法。现在,研究人员正利用这些概念来阐明一些更奇特事物的原理,比如虫洞——相距遥远的时空点之间如隧道般的假想连接。这些成功使取得更大突破的希望继续存在。如果时空是涌现的,那么弄清楚它从何而来——以及它如何从其他任何事物中产生——或许就能为我们最终打开万有理论的大门。

  弦理论中的世界

  如今,弦理论是最受物理学家们欢迎的量子引力候选理论。根据该理论,弦是物质和能量的基本组成部分,产生了可以在粒子加速器中看到的无数基本亚原子粒子。弦甚至与引力的产生有关,该理论的必然结果之一,就是一种承载引力的假想粒子,称为“引力子”。

  然而,弦理论很难理解,更多是存在于物理学家和数学家花了几十年时间探索的数学领域。该理论的大部分架构仍未建立,更多的探索仍在计划中,研究者还需要填补很多空白。这个新领域所依赖的主要技巧是数学对偶,即一种系统和另一种系统之间的对应关系。

  我们可以用开头提到的小维度和大维度之间的对偶作为例子。试着把一个维度塞进一个小空间,弦理论会告诉你,你最终将得到一个数学上完全相同,该维度却十分巨大的世界。根据弦理论,这两种情况是一样的——你可以在一种情况与另一种情况之间自由地来回切换,并通过使用某些技巧,从一种情况来理解另一种情况是如何运作的。“如果你仔细跟踪这个理论的基本构建模块,”怕奎特说,“有时候你会很自然地发现……你可能获得了一个新的空间维度。”

  在许多弦理论学家看来,类似的对偶关系表明空间本身是涌现的。这个想法始于1997年,当时普林斯顿高级研究院的物理学家胡安·马尔达西那发现了一种量子理论(共形场论,简称CFT)与广义相对论中一种特殊时空(反德西特空间,简称AdS)之间的对偶关系,即AdS/CFT对偶。二者似乎是截然不同的理论——CFT完全没有引力,而AdS则包含了广义相对论所有的引力效应。然而,这两个世界可以用同样的数学进行描述。AdS/CFT对偶的发现为量子理论与包含引力的整个宇宙之间提供了一种具体的数学联系。

  奇怪的是,AdS/CFT对偶中的空间AdS比量子场CFT多了一个维度。但物理学家们很喜欢这种不匹配,因为它可以作为几年前提出的另一种对偶关系的特例。这种对偶关系是荷兰乌得勒支大学的物理学家杰拉德·特·胡夫特和美国斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德提出的,称为全息原理(holographic principle)。基于黑洞的一些特殊特征,特·胡夫特与萨斯坎德推测,一个空间区域的性质可能完全“编码”在其边界上。换句话说,一个黑洞的二维表面将包含所有描述其内部三维结构的信息——就像一个全息图。“我想很多人都觉得我们疯了,”萨斯坎德说,“认为这两个优秀的物理学家变坏了。”

  类似地,在AdS/CFT对偶中,四维CFT对与其相关的五维AdS空间的所有内容进行编码。在这个系统中,整个时空区域是由共形场论中量子系统各组分之间的相互作用建立起来的。这一过程可以比作阅读小说:“如果你在书中讲述一个故事,书中的人物就会有所作为,但书上只有一行文字,对吧?从这行文字中可以推断出这些人物正在做什么。书中的人物就像AdS,而这一行文字就是CFT。”

  那么,AdS的空间来自哪里呢?如果这个空间是涌现的,那么它是从哪里冒出来的呢?答案是CFT中一种特殊而奇怪的量子相互作用:纠缠。这是一种纯粹发生于量子系统的现象,两个远距离粒子的行为会以统计上不可能的方式被瞬间关联起来。众所周知,量子纠缠问题一直困扰着爱因斯坦,他称其为“鬼魅般的超距作用”。

我们熟悉的平滑时空来自于时空中微小“颗粒”的集体行为;就像沙丘一样,这些厚实的晶体状颗粒仍然是沙子,但它们看起来或表现出来的行为都不像起伏的沙丘  我们熟悉的平滑时空来自于时空中微小“颗粒”的集体行为;就像沙丘一样,这些厚实的晶体状颗粒仍然是沙子,但它们看起来或表现出来的行为都不像起伏的沙丘
  我们会知道空间和时间的真正本质吗?

  不过,尽管如同鬼魅,但量子纠缠依然是量子物理学的核心研究领域。在量子力学中,当任何两个物体相互作用时,它们通常就会纠缠在一起,而且只要它们隔绝于世界的其他事物,它们就会一直纠缠——不管之间的距离有多远。在实验中,物理学家已经在相距1000公里以上的粒子之间,甚至在地面粒子与轨道卫星上的粒子之间观察到了量子纠缠现象。理论上,两个纠缠的粒子可以在星系或宇宙的两端维持它们的关联。距离对于纠缠而言似乎并不重要,而这正是困扰了许多物理学家几十年的难题。

  但如果空间是涌现的,那么纠缠在远距离持续存在的能力可能就不那么神秘了——毕竟,距离是一种空间结构。对AdS/CFT对偶的研究显示,最初正是由纠缠在AdS空间中产生了距离。在这一对偶关系的AdS侧,空间中任意两个邻近区域对应于CFT中两个高度纠缠的量子组分,它们越纠缠在一起,空间区域就越紧密。

  近年来,物理学家开始猜测,这种关系可能也适用于我们的宇宙。“是什么将空间维系在一起,并防止它分裂成不同的子区域?答案就在于空间两个部分之间的纠缠,”萨斯坎德说,“空间的连续性和联结性归功于量子力学的纠缠。”因此,纠缠可能会巩固空间本身的结构,形成世界几何形状的经线和纬线。“如果你能以某种方式破坏(空间)两个部分之间的纠缠,空间就会分崩离析,”萨斯坎德说,“这将是与涌现相反的过程,即反涌现。”

  如果空间是由相互纠缠的部分构成的,那么量子引力之谜似乎就更容易解决了:与其试图用量子的方式解释空间的扭曲,不如说空间本身就是从基本的量子现象中产生的。萨斯坎德怀疑这就是一开始很难建立量子引力理论的原因。“我认为(量子引力理论)从未成功的原因是,它从两种不同的东西——广义相对论和量子力学——开始,然后把它们放在一起,”他说,“我认为问题的关键在于,它们的关系太密切了,不可能分开再重新组合。没有量子力学,就没有引力这回事。”

  然而,空间的涌现只是问题的一半。由于空间和时间在相对论中如此紧密地联系在一起,任何关于空间如何出现的解释都必须同时解释时间。“时间也必须以某种方式出现,”加拿大不列颠哥伦比亚大学的物理学家、从事量子纠缠与时空关系研究的马克·范·拉姆斯东克说,“但我们还没有很好地理解这一过程。这是一个相当活跃的研究领域。”

  范·拉姆斯东克表示,另一个活跃的研究领域是利用时空涌现模型来理解虫洞。此前,许多物理学家认为,即使在理论上,将物体送入虫洞也是不可能的。但在过去几年中,研究AdS/CFT对偶和类似模型的物理学家发现了构建虫洞的新方法。“我们不知道能否在我们的宇宙中做到这一点,”范·拉姆斯东克说,“但我们现在知道的是,构建某些类型的虫洞在理论上是可能的。”两篇分别发表于2016年和2018年的论文引发了该领域的研究热潮。然而,即使可以穿越的虫洞能够建立起来,它们在太空旅行中也不会有多大用处。正如萨斯坎德指出的那样,“你不可能以比光更快的速度穿过虫洞”。

  思考的空间

  如果弦理论是正确的,那么空间就建立在量子纠缠的基础上,时间可能也是。但这到底意味着什么呢?空间如何由物体之间的纠缠“构成”?这些物体本身难道不就在某个地方吗?如果不经历时间和变化,这些物体是如何纠缠在一起的?如果没有存在于真实的空间和时间中,事物本身又会是什么样的存在呢?

  这些问题都已经接近哲学层面,但事实上,物理学家们正在认真对待这些问题。时空怎么可能是一种突然出现的东西?这种说法在直觉上似乎是不可能的。不过,我们的直觉有时很糟糕,这些直觉在非洲大草原上进化而来,与宏观的物体、流体以及动物有关,往往不能转移到量子力学的世界。当谈到量子引力时,“东西存在于哪里?”和“它在哪里生活?”都不是适当的问题。

  在日常生活中,物体确实会存在于不同的地方。但正如许多研究者指出的那样,这并不意味着空间和时间必须是基本的,而是说它们必须从某些基本的事物中显现出来。以液体为例,说到底,它是由基本粒子,比如电子、质子和中子,或者更基本的夸克和轻子构成的。夸克和轻子有液体特性吗?这根本说不通,对吧?然而,当这些基本粒子聚集在一起,数量足够多时,就会表现出某种行为,集体性的行为,整体上它们就会表现得像液体一样。

  空间和时间可以在弦理论和其他量子引力理论中以同样的方式运作。具体来说,时空可能来自我们通常认为存在于宇宙中的事物,即物质和能量本身。并不是说先有了空间和时间,然后再加入一些物质,相反,物质可能是空间和时间存在的必要条件。这仍然是一种非常紧密的联系,但可能与我们最初的想法相反。

  或许还有其他的方法来解释这些最新发现。AdS/CFT对偶常常被视为时空如何从量子系统中产生的一个例子,但这可能并不是其真正的含义。AdS/CFT对偶为我们提供了时空事实与量子理论事实之间的翻译手册,这与时空涌现的说法是一致的,一些量子系统是基础。但反过来也一样。这种对偶关系可能意味着量子系统是涌现的,而时空是基础——或者二者都不是基础,而是存在一些更深层的基本事物。涌现是一个很有说服力的观点,但至少从AdS/CFT对偶来看,还没有看到一个支持时空涌现的明确论据。

  在弦理论中,时空的涌现还面临一个更大的挑战,与AdS/CFT对偶本身有关。我们并不是生活在反德西特的空间里,我们生活在一个更接近德西特空间的宇宙中。德西特空间描述了一个与我们所处宇宙相似的,正在加速膨胀的宇宙。我们对全息理论在这个宇宙中如何应用还没有一个最模糊的概念。如何在一个更接近真实宇宙的空间中建立这种对偶关系,是弦理论学家最紧迫的问题之一。

  最后,最新的粒子加速器还没有发现超对称性所预测的额外粒子的任何证据,而弦理论所依赖的正是超对称性。超对称性表明,所有已知粒子都有其“超对称粒子”,这使得基本粒子的数量翻了一倍。但欧洲核子研究中心(CERN)位于日内瓦附近的大型强子对撞机却没有发现这些粒子的迹象。该对撞机的设计目的部分就是为了寻找超对称粒子。我们拥有的所有真正精确的时空涌现版本都在超对称理论中,一旦没有了超对称性,用数学方法计算方程的能力就会从你的手中消失。

  时空的“原子”

  弦理论并不是唯一认同时空涌现的理论。弦理论“未能实现它作为一种结合引力和量子力学的方法的承诺,弦理论现在的优势在于,它提供了一套极其丰富的工具,这些工具已被广泛应用于整个物理领域。阿希提卡是弦理论最受欢迎的替代理论——圈量子引力理论的最初先驱之一。在圈量子引力理论中,空间和时间不像广义相对论中那样平滑和连续——相反,它们是由离散的组分构成的,即阿希提卡所说的“时空的块或原子”。

  这些时空的原子在一个网络中相互关联,由一维和二维平面将它们连接在一起,形成圈量子引力理论研究者所谓的“自旋泡沫”。尽管这种泡沫被限制在二维空间,它却产生了我们的四维世界,有三维空间加上一维时间。你可以将其比作一件衣服。以你的衬衫为例,它看起来就像一个二维平面,但如果你拿一个放大镜来看,就会立即发现它都是一维的丝线。只不过这些线是如此密集,使你可以将衬衫想象成一个二维表面。因此,类似地,我们周围的空间看起来就像一个三维连续体,但实际上这些(时空的原子)是纵横交错的。

  虽然弦理论和环圈量子引力理论都认为时空是涌现的,但这两种理论所描述的涌现方式并不相同。弦理论认为,时空(至少是空间)是由一个看似不相关的系统以纠缠的形式涌现的,就好像单个司机的群体性决策会导致交通堵塞的出现。汽车不是由交通堵塞构成的,是汽车造成了交通堵塞。另一方面,在圈量子引力理论中,时空的涌现更像是一座有坡度的沙丘,由风中的沙粒集体运动而形成。我们熟悉的平滑时空来自于时空中微小“颗粒”的集体行为;就像沙丘一样,这些厚实的晶体状颗粒仍然是沙子,但它们看起来或表现出来的行为都不像起伏的沙丘。

  尽管存在这些差异,但圈量子引力理论和弦理论都认为时空是从某种潜在的现实中产生的。它们也不是唯二指向这一方向的量子引力理论。因果集理论是另一个关于量子引力的候选理论。该理论假设空间和时间也由更基本的成分组成。令人震惊的是,对于已有的大多数貌似合理的量子引力理论而言,在某种意义上,它们传递的信息是:没错,广义相对论时空在基本层面上并不存在,当不同的量子引力理论至少在某些方面达成一致时,会非常令人激动。

  空间的时间边界

  在某种程度上,现代物理学是其自身成功的受害者。由于量子力学和广义相对论在描述各自现象时都如此准确,使得我们只需要用量子引力来描述最极端的情况——将巨大的质量塞进深不可测的微小空间。在自然界中,这样的情况只存在于少数几个地方,比如黑洞的中心。值得一提的是,在物理实验室中,即使是规模最大、最先进的实验室也创造不出这样的条件。这需要一个和星系一样大的粒子加速器,用来直接测试在量子引力支配条件下的自然行为。科学家们为寻找量子引力理论耗费了大量时间,最主要的原因便是缺乏直接的实验数据。

  面对证据的缺乏,大多数物理学家都把希望寄托在天空上。在宇宙大爆炸的最初时刻,整个宇宙无比微小和密集——这种情况就需要用量子引力来描述。大爆炸的“回声”可能还残留在如今的天空中。验证量子引力最好的办法是通过宇宙学,也许在宇宙学中,我们现在认为不可预测的东西,也许在我们理解了完整的理论,或者了解到一些我们从未想过的新事物之后,就能够预测到了。

  不过,在实验室中验证弦理论或许也会成为可能,至少是间接验证。科学家们希望在研究AdS/CFT对偶时,不是通过探测宇宙时空,而是通过建立高度纠缠的原子系统,并观察它们的行为是否与时空和引力类似。这样的实验可能“展示出一些引力的特征,但可能不是全部的特征。这也取决于你怎么定义所谓的“引力”。

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  我们会知道空间和时间的真正本质吗?在短时间内,我们可能还无法获得来自天空的观测数据。在实验室中,对时空本质的验证实验可能会失败。熟悉哲学的都知道,有关空间和时间真实性质的问题确实非常古老。一切的存在“现在都是一体的、连续的,”2500年前的古希腊哲学家巴门尼德曾说,“整个都在现在。”巴门尼德坚持认为时间和变化都是幻觉,任何地方的一切都是统一和相同的。他的学生芝诺还提出了一些著名的悖论,以支持他的观点,声称任何距离的运动都是不真实的,唯一真实的东西是巴门尼德所谓的“唯一不动的存在”。他们的工作提出了时间和空间是否虚幻的问题,而这个问题背后令人不安的暗示已经困扰了西方哲学两千多年。

  事实上,古希腊人所提出的这些问题,什么是空间?时间是什么?什么是变化?今天我们仍然会问,只不过是不同的版本,这表明它们本来就是值得思考的问题,正是通过思考这类问题,我们学到了许多关于物理学的新知识。


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