美刊文章：时空究竟由什么构成？

 

 

参考消息网2月19日报道时空究竟是由什么构成的？《科学美国人》月刊网站1月30日发表作者亚当·贝克尔的文章称，物理学提供的诸多暗示表明，我们认识的时空不是基本的东西。全文摘编如下：

 

纳塔莉·帕克特会花时间思考如何发展出一个额外的维度。先从分散在时空中每个点上的小圆圈开始——这是一种朝自身环绕回来的卷曲的维度。然后把这些圆圈缩小，促使环路收紧，直到出现一种奇特的变化：这个维度看起来不再很小，而是变得巨大，就像有时你会意识到，看起来很小、很近的东西实际上是巨大、遥远的。

 

基本存在？

 

身为美国华盛顿大学的理论物理学家，帕克特并不是唯一思考这种奇怪的维度变化问题的人。越来越多的物理学家——尽管以不同方法在物理学的不同领域工作——正日益就一种深刻的思想达成共识。这种思想就是，空间——甚至时间——不是基本的存在。相反，空间和时间可能是一种突现的特征：它们可能源自大自然更基本组成部分的结构和行为。在现实的最深层面，诸如“何地？”“何时？”这类问题或许根本就没有答案。

 

帕克特说：“物理学提供的诸多暗示表明，我们认识的时空不是基本的东西。”

 

这些激进的观点来自持续一个世纪的量子引力理论探索过程中的最新意外进展。

 

物理学家掌握的最佳引力理论是广义相对论，即爱因斯坦关于物质如何扭曲时空的著名理论。物理学家掌握的有关其他一切事物的最佳理论是量子物理学。在涉及物质、能量和亚原子粒子的特性时，量子物理学惊人地准确。这两种理论都轻而易举地通过了物理学家在过去一个世纪里设计出来的所有测试。人们可能会想，把它们放在一起，就会获得一种“万物理论”。

 

但是，这两种理论不太兼容。如果向广义相对论寻求以下问题的答案——在量子物理学的背景下会发生什么，你会得到自相矛盾的答案。大自然知道如何在量子背景下运用引力——这种情况发生在大爆炸的最初阶段，到现在仍在黑洞的中心发生，但我们人类依然难以理解这个戏法是如何完成的。部分问题在于这两种理论处理时间和空间的方式。量子物理学认为空间和时间永恒不变，广义相对论则轻易让时空发生扭曲。

 

量子引力理论需要调和这些有关空间和时间的观点。实现这一目标的一个办法是，在其源头——时空本身——消除有关问题，方式是让时空产生于某种更基本的东西。近年来，若干不同的研究路线都显示，在现实的最深层面，时间和空间的存在方式不同于它们在我们日常生活中的存在方式。在过去10年里，这些思想彻底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某种更奇异的东西的运作方式。这种东西就是虫洞——连接时空中相距很远的点的假想隧道。这方面的成功维系了取得更深层次突破的希望。如果时空是突现的，那么弄清楚其来自哪里——以及如何能够从其他任何东西中产生——可能就是那把丢失的钥匙，它最终将打开通往“万物理论”的大门。

 

今天，物理学家中最流行的候选量子引力理论是弦理论。该理论认为，弦是物质和能量的基本组成部分，它们产生了在世界各地的粒子加速器中可以看到的无数基本亚原子粒子。它们甚至是引力诞生的源头。

 

但弦理论很难理解——它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。该理论的大部分结构尚属未知，“探险”活动仍处于计划阶段，“地图”仍待绘制。在这个新领域中，主要“导航”技术是通过数学对偶性——一种系统和另一种系统之间的对应关系——实现的。

 

一个例子就是本文开头提到的小维度和大维度之间的对偶性。试着把一个维度塞进一个小空间，然后弦理论会告诉你，你最终得到的东西在数学上与一个拥有巨大维度的世界完全相同。根据弦理论，这两种情况是一样的——你可以在两种情况之间自由往返，并用一种情况下的技术去理解另一种情况是如何运作的。

 

量子纠缠？

 

在许多弦理论家看来，一个类似的对偶现象意味着，空间本身是一种突现的特征。这一思想诞生于1997年，当时美国普林斯顿高等研究院的物理学家胡安·马尔达塞纳发现，在一种为人熟知的量子理论与一种特殊类型的时空之间存在对偶性。这种为人熟知的量子理论名为“共形场论”（CFT），而这种特殊类型的时空出自广义相对论，名为“反德西特空间”（AdS）。两者似乎是截然不同的理论——CFT中没有万有引力，而AdS包含全部的爱因斯坦引力理论。然而，可以用同样的数学理论来描述这两个世界。这一情况被人发现后，AdS和CFT的对应关系在量子理论和包含引力的整个宇宙之间建立了明确的数学联系。

 

奇怪的是，在AdS与CFT的对应关系中，AdS比CFT多了一个维度。但物理学家喜欢这种不匹配，因为它是那之前几年荷兰乌得勒支大学物理学家赫拉德·特霍夫特和美国斯坦福大学物理学家莱昂纳德·萨斯坎德设想的另一种对应方式的一个例子。这种对应方式名为“全息原理”。基于黑洞的一些不同寻常的特性，特霍夫特和萨斯坎德怀疑，一个空间区域的各种特性可能被其边界完全“编码”。换句话说，黑洞的二维表面可能包含着了解其三维内部所需的所有信息——就像一幅全息图。

 

类似地，在AdS和CFT的对应关系中，四维的CFT给与五维AdS有关的所有东西都编了码。马尔达塞纳将这一过程比作读小说。他说：“书中有各种角色，他们各有作为。但读者只会看到文本，对吧？这些角色做了什么是读者从文本中推断出来的。书中的角色就像大部头的（AdS）理论。而文本就是（CFT）。”

 

但在AdS中，空间来自哪里？如果这个空间是一种突现的特征，它又来自何处？答案在于CFT中一种特殊且奇怪的量子相互作用——纠缠。

 

纠缠是物体之间的一种远距离联系。它会以非常奇异的方式瞬时把物体的行为关联起来。众所周知，纠缠问题曾困扰爱因斯坦，他称之为“幽灵般的远距作用”。

 

尽管很奇怪，纠缠却是量子物理学的一个核心特征。当两个物体在量子力学中发生相互作用时，它们通常会发生纠缠，并且它们会保持纠缠状态，只要它们与世界其他部分隔开——不管它们之间的距离有多远。在一些实验中，物理学家们让相距1000多公里的粒子之间保持纠缠。他们甚至让地面上的粒子与被送到卫星上的其他粒子保持纠缠。

 

原则上，两个分别位于银河系或宇宙两侧的相互纠缠的粒子可以维持它们的联系。对于纠缠来说，距离似乎不成问题。几十年来，这个难题困扰着许多物理学家。

 

但是，如果空间是突现的，那么纠缠现象能够跨越遥远距离持续存在或许就不会神秘得可怕了——毕竟，距离是一种结构。

 

一些物理学家对AdS与CFT对应关系所做的研究显示，纠缠是AdS中最初产生距离的原因。在AdS这一侧，任何两个邻近的空间区域都对应着CFT的两个高度纠缠的量子组成部分。它们的纠缠程度越高，上述空间区域就靠得越近。

 

穿越虫洞？

 

近年来，物理学家开始怀疑，这种关系可能也适用于我们的宇宙。

 

萨斯坎德说：“是什么让空间结合在一起并防止它分裂为不同的次级区域呢？答案在于空间的两个部分之间的纠缠。空间具备连续性和连通性要归功于量子力学纠缠。”因此，纠缠可能巩固了空间自身的结构。它形成经纬线，进而产生世界的几何结构。萨斯坎德说：“如果能以某种方式破坏（空间）两个部分之间的纠缠，空间就会土崩瓦解。”

 

如果空间是纠缠的结果，那么要解开量子引力之谜似乎就容易得多了：不用试图从量子角度解释空间扭曲的原因，因为空间本身基本上就是从量子现象中产生的。萨斯坎德怀疑，这就是科学家很难发现量子引力理论的原因所在。他说：“我认为，这项工作不顺利的原因在于，它从两种不同的东西——广义相对论和量子力学——出发，要把它们结合到一起。我认为问题的关键在于，它们的关系太密切了，不可能分开后再重新组合。没有量子力学就没有引力这回事。”

 

然而，解释空间突现的原因只是工作的一半。由于在相对论中空间和时间是如此紧密地联系在一起，任何解释空间如何突现的说法都必须也对时间加以解释。马克·范拉姆斯东克是加拿大不列颠哥伦比亚大学的物理学家，也是研究纠缠与时空之间联系的先驱。他说：“时间必然也是以某种方式突现的。但这一点还没有得到很好的理解。这是一个活跃的研究领域。”

 

他说，另一个活跃的领域是利用时空突现模型来理解虫洞。许多物理学家早前认为，即使在理论上，让物体通过虫洞都是不可能的。但在过去几年中，研究AdS与CFT对应关系和类似模型的物理学家发现了构建虫洞的新方法。范拉姆斯东克说：“我们不知道是否能在我们的宇宙中做到这一点。但我们现在知道的是，某些类型的可穿越虫洞在理论上是可能存在的。”

 

但是，即使能够建立起可穿越的虫洞，它们对太空旅行而言也不会有多大用处。正如萨斯坎德指出的那样，“和（光）绕远走完全程所花的时间相比，你穿越虫洞所花的时间不可能更少”。

 

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