时间和空间的本质是什么?

Natalie Paquette在思考如何增加一个额外的维度。从分布在空间和时间上的每一个点上的小圆圈开始,这些圆圈是能循环回到自身的曲线维度。然后缩小这些圆圈使其越来越小,越来越紧,直到不寻常的转变出现:这些维度看起来不再是很小的,而是变得巨大,就像当你意识到一些就在周围而且看起来很小的东西实际上遥远而巨大一样。Paquette说:“我们正在缩小一个空间方向,但当我们试图将它收缩到某个特定的点时,却出现了一个新的、巨大的空间方向。”

华盛顿大学的理论物理学家Paquette并不是唯一一个研究这种不寻常维度转变的人。在这一学科的不同领域,越来越多的物理学家用不同的方法开展工作,他们越来越多地认可一个深刻的想法:空间甚至时间可能并不是基本的事物。相反,空间和时间可能只是从更基本的组分的结构和行为中涌现出来的。现实中最深层次的问题,比如“何地”?“何时”?可能根本没有答案。Paquette说:“我们从物理学中得到暗示:我们所理解的时空并不是本质的事物。”

这些激进的观点来自于一个世纪以来寻找量子引力理论的最新进展。广义相对论是物理学中最出色的引力理论,这是爱因斯坦提出的,关于物质如何扭曲空间和时间的著名理论。量子物理学则是物理学的其他方面最出色的理论,它在涉及到物质、能量和亚原子粒子性质上的准确性十分惊人。这两个理论都能很轻松地通过物理学家在过去几个世纪里设计实施的测试。人们可能会认为,把二者结合在一起,就能获得一个“万有理论”。

但这两个理论结合的效果并不好。把广义相对论放到量子物理学背景下会产生矛盾,在计算中会出现难以驾驭的无穷数。大自然知道如何在量子背景下应用引力,这一应用发生在大爆炸最初的时刻、黑洞的中心,但人类仍在努力理解这个过程是如何实现的。问题部分在于这两个理论处理空间和时间的方式不同,量子物理学认为空间和时间是不可变的,而广义相对论则将它们扭曲。

量子引力理论需要调和这些关于空间和时间的观点。一种方法是消除问题的根源,即时空本身,使其从更基本的事物中涌现出来。近年来,几种不同的研究路线都表明,在现实的最深层,空间和时间并不以在日常生活中的方式存在。在过去的十年里,这些观点从根本上改变了物理学家对黑洞的看法。现在,研究人员正在用这些概念来解释更奇特的事物的原理,比如虫洞,即时空中距离遥远的两点之间像隧道一样的通道。这些成功让人们热切希望取得更深入的突破。如果时空是从无到有产生的,那么如果能弄清楚它来自哪里以及它如何从无到有,或许最终就能够打开通往万有理论的大门。

今天,在物理学家中候选量子引力理论中,最流行的是弦理论。根据这一理论,弦是物质和能量的基本组成部分,产生了在世界各地的粒子加速器中都能看到的无数基本的亚原子粒子。弦甚至与引力有关——弦理论假设一个携带引力的粒子,即一个“引力子”存在,并且这是该理论的必然结果。

但是人们很难理解弦理论,它存在于数学领域,物理学家和数学家花了几十年来探索它。该理论的大部分结构仍未确定,研究探索仍在计划中,研究者还需填补很多空白。在这个新的领域内,起到导航作用的主要技巧是数学上的对偶性,是一种系统和另一种系统之间的对应关系。

本文一开始的小维度和大维度之间的对偶就是一个例子。弦理论表明,试着把一个维度塞进一个小空间里,最终将得到一个在数学上与这个维度巨大的世界完全相同的事物。根据弦理论,这两种情况是相同的——你可以自由地在一种情况和另一种情况之间来回切换,以及使用一种情况中的技巧来理解另一种情况如何运作。Paquette说:“如果你仔细研究这个理论的基本要素,你自然会发现……你可能获得了一个新的空间维度。”

空间和时间的真正本质到底是什么?

(图片来源:Elena Hartley)

类似的对偶关系让许多弦论学家意识到,空间本身是从无到有涌现出来的。这个想法始于1997年,当时高级研究所的物理学家Juan Maldacena发现了量子理论中一种广为人知的共形场论(conformal field theory, CFT)和广义相对论中一种特殊的时空反德西特空间(anti–de Sitter space, AdS)之间的对偶关系。这两种理论似乎是截然不同的——CFT理论中不包含任何引力,而AdS空间中包含了广义相对论所有的引力理论。然而二者却可以用同样的数学方法描述。这种AdS/CFT对偶关系的发现为量子理论和包含引力的宇宙之间提供了一种切实的数学联系。

奇怪的是,在AdS/CFT对偶关系中,AdS空间比量子CFT多一个维度。但物理学家们就喜欢这种不匹配,因为它是几年前构想的另一种对偶关系的特例,这种对偶关系被称为全息原理,由荷兰乌得勒支大学(Utrecht University)的物理学家Gerard’t Hooft和斯坦福大学(Stanford University)的物理学家Leonard Susskind提出。根据黑洞一些独特的特征,Hooft和Susskind猜想一个空间区域的属性可能完全被其边界“编码”。换句话说,黑洞的二维表面将包含所有描述三维内部所需的信息,这就像全息图一样。“我知道很多人都觉得我们疯了,他们认为两个优秀的物理学家都学坏了。”Susskind说。

类似地,在AdS/CFT对偶中,四维CFT编码与其相关联的五维AdS空间的所有内容。在这个系统中,整个时空区域是由共形场论中的量子系统各组分之间的相互作用建立起来的。Maldacena把这个过程比作阅读一部小说。他说:“如果你在书中讲述一个故事,书中的人物在做一些事情,但书中只有一行文字。人物所做的事就是从书中这一行文字中推断出来的。书中的人物就像AdS。这一行文字就像是CFT。”

但是AdS中的空间来自哪里呢?如果这个空间是从无到有涌现出来的,那它来自哪里?答案是CFT中一种特殊的而奇怪的量子相互作用:纠缠,一种物体之间的长距离连接,它以统计上不可能的方式瞬间将物体的行为联系起来。爱因斯坦也曾被纠缠困扰,他称其为“鬼魅般的超距作用”。

我们会知道空间和时间的真正本质吗?

尽管纠缠令人毛骨悚然,它仍是量子物理学的核心特征。在量子力学中,任意两个物体相互作用时,通常都会纠缠在一起,无论它们相距多远,只要它们隔离于世界上的其他事物,它们就会一直纠缠在一起。在实验中,物理学家们在相距1000多公里的粒子之间,甚至地面上的粒子和其他被送到轨道卫星上的粒子之间都观察到量子纠缠。理论上,两个纠缠粒子可以在星系或宇宙的两端维持它们的纠缠。距离似乎对纠缠并不重要,这是一个困扰了许多物理学家几十年的难题。

但是,如果空间是涌现的,那么纠缠可以持续到远距离的能力可能不会特别神秘,毕竟距离是一种空间结构。普林斯顿大学物理学家Shinsei Ryu和京都大学物理学家Tadashi Takayanagi对AdS/CFT对偶的研究表明,在AdS空间中产生距离的首要原因是纠缠。在对偶关系的的AdS端,任意两个邻近的空间区域对应于CFT端的两个高度纠缠的量子分量。它们纠缠的程度越大,空间的区域就越近。

近年来,物理学家们猜想这种关系可能也适用于宇宙。“把空间维系在一起,防止其分裂成不同的子区域的是空间两部分之间的纠缠。”Susskind说,“空间的连续性和联结性的存在归功于量子纠缠。”因此,纠缠可能会支撑空间的结构,形成世界几何形状的经线和纬线。他还说:“如果你能以某种方式摧毁空间两部分之间的纠缠,这个空间就会崩塌,与涌现相反,空间会消失。”

如果空间是由纠缠构成的,那么量子引力的谜题更容易解决:空间本身就是从根本的量子现象中产生,而不是试图用量子的方式解释空间扭曲。Susskind猜想这就是最初很难建立量子引力理论的原因。他说:“我认为把广义相对论和量子力学结合起来的方法之所以不奏效,是因为它从广义相对论和量子力学这两种不同的东西开始,然后把它们放在一起。我认为关键在于它们的关系过于紧密,以致于不能将其分开再重新组合。没有量子力学,就没有引力。”

然而,解释空间的涌现还只是一半的工作。由于空间和时间在相对论中紧密联系,因此任何关于空间涌现的解释也必须解释时间是如何涌现的。来自英属哥伦比亚大学的物理学家Mark van Raamsdonk是纠缠与时空之间联系的先驱,他说:“时间也必然以某种方式涌现,但这一点还没有被很好地理解,而且这是一个活跃的研究领域。”

Mark van Raamsdonk表示另一个活跃的研究领域是使用时空涌现的模型来理解虫洞。以前许多物理学家都认为,即使在理论上,通过虫洞传送物体也是不可能的。但在过去的几年里,致力于研究AdS/CFT对偶和类似模型的物理学家们已经发现了构建虫洞的新方法。“我们不知道我们能否在宇宙中做到这一点,但我们现在所知道的是,某些可穿越的虫洞在理论上是可行的。”van Raamsdonk说。一篇在2016年发表的文章和另一篇在2018年发表的文章引发该领域持续的一系列工作。但即使能够构建可穿越的虫洞,对太空旅行也没有太大的用处。正如Susskind所指的那样,“穿越虫洞的速度不能超过光速”。

空间和时间的真正本质到底是什么?

(图片来源:Stephania Infante)

思考的空间

如果弦理论家是正确的,空间是由量子纠缠建立起来的,那么时间也可能是由量子纠缠建立起来的。但这到底意味着什么呢?空间如何由物体之间的纠缠“构成”呢?难道这些物体本身不在某个地方吗?如果这些物体没有经历时间和变化,它们如何纠缠在一起呢?如果事物不存在于一个真正的空间和时间里,事物又会是怎样的存在呢?

这些比较接近哲学问题——事实上,物理哲学家们正在认真对待这些问题。“时空怎么会是一种涌现的东西呢?”伦敦国王学院的物理哲学家Eleanor Knox问道。她说这在直觉上似乎是不可能的。不过Knox认为这不是问题。她说:“我们的直觉有时很糟糕,这些直觉在非洲热带草原上进化,与宏观物体、宏观流体和生物动物相互作用,往往不会转移到量子力学的世界。”提到量子引力,Knox总结道,“这些事物存在于哪里?”“它在哪里生活?”都不是合适的问题。

在日常生活中,物体确实存在于一些地方。但正如Knox和其他许多人所指出的那样,这并不意味着空间和时间必须是基本的,只是它们必须可靠地从基本的事物涌现。日内瓦大学的物理学学家Christian Wüthrich说,“以液体为例,归根结底,它是由基本粒子,比如电子、质子和中子,甚至更基本的是夸克和轻子构成。但是夸克和轻子有液体特性吗?这根本说不通,对吧?然而,当这些基本粒子以足够多的数量聚集在一起,就会表现出某种行为,集体性的行为,它们就会表现得像液体。”

Wüthrich说,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工作。具体来说,时空可能来自于我们通常认为存在于宇宙中的事物——物质和能量本身。他还说:“这并不是说我们先有空间和时间,然后再增加一些物质。相反,某种物质可能是空间和时间涌现的必要条件。这仍然是一种非常密切的联系,但与最初的想法完全相反。”

还有其他方法可以解释最新的发现。根据加州大学戴维斯分校物理哲学家Alyssa Ney的说法,AdS/CFT对偶通常被视为时空从量子系统中产生的一个例子,但这可能并不是其真正含义。Ney说:“AdS/CFT对偶能够提供一个时空事实和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,一些量子理论是基本的。”但她说,反过来也一样,这种对应关系可能意味着量子理论是涌现的,时空是基本的——或者两者都不是基本的,而是还存在一些更深层次的基本事物。她还表示,涌现是一个很有说服力得观点,她对这个观点的可能性持开放态度。“但至少只看AdS/CFT对偶的话,仍然没有看到一个支持时空涌现的明确论据。”

对弦理论更大的挑战隐藏在显而易见的地方,就在AdS/CFT对偶的名字里。Susskind说:“我们不生活在反德西特的空间,我们生活在一个更接近德西特空间的地方。”德西特空间描述了一个加速和膨胀的宇宙,很像我们的宇宙。他总结道:“我们目前还没办法把全息理论应用上去。”弄清楚如何为一个更接近真实宇宙的空间建立这种对偶关系是弦理论家们最紧迫的问题之一。van Raamsdonk说:“我认为我们之后将能更好地理解如何将这一对偶关系应用到宇宙学版本的理论中。”

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,而超对称性正是弦理论所依赖的。超对称规定所有已知粒子都有自己的“超对称伙伴”,这使得基本粒子的数量增加一倍。但是欧洲核子研究中心在日内瓦附近的大型强子对撞机并没有发现这些粒子的迹象。设计该对撞机的目的部分在于寻找这些超对称粒子。Susskind说:“我们所拥有的所有真正精确的关于时空涌现的版本都是基于超对称理论。一旦超对称不存在,就没有办法继续用数学方法计算方程了。”

时空的原子

并不是只有弦理论才认同时空涌现。宾夕法尼亚州立大学的物理学家Abhay Ashtekar是最流行的弦理论替代理论——圈量子引力理论的先驱之一。他认为,弦理论未能兑现其将引力和量子力学结合起来的承诺。弦理论现在的优势在于提供了一套极其丰富的工具,这些工具已经被广泛应用于物理领域。在圈量子引力理论中,空间和时间并不像广义相对论中那样光滑和连续——相反,它们是由离散的分量组成的,Ashtekar称之为“时空的块或原子”。

这些时空的原子在一个网络中相互关联,一维和二维表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。尽管泡沫被限制在二维空间,但它产生了我们的四维世界,包括三维空间和一维时间。Ashtekar把它比作一件衣服,“以衬衫为例,它看起来像是一个二维平面,但如果你用一个放大镜观察,你会立刻发现它都是一维的线。只是这些线是如此的密集,以致于你可以把衬衫看作是一个二维平面。同样地,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确实存在着纵横交错的现象”。

虽然弦理论和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是不同的。弦理论认为,时空(或至少是空间)起源于一个看似不相关的系统的行为,即以纠缠的形式涌现。比如单个司机的集体行为造成交通堵塞。这些汽车不是由交通堵塞构成的,而交通堵塞是由汽车造成的。而另一种理论,在圈量子引力理论中,时空的涌现更像是一座由风中沙粒集体运动产生的倾斜沙丘。我们熟悉的平滑时空由时空中微小“颗粒”的集体行为产生;就像沙丘一样,时空中的这些厚实的晶体颗粒仍然是沙子,但它们看起来或表现得并不像起伏的沙丘。

尽管存在这些差异,圈量子引力理论和弦理论都表明,时空来自于某种更基本的现实。它们也不是唯二指向这个方向的量子引力理论。因果集理论是另一个量子引力理论的候选理论。该理论假设空间和时间也是由更基本的成分组成的。Knox说:“真正令人吃惊的是,在某种意义上,对于现有的大多数量子引力理论来说,它们所传达的信息是:没错,广义相对论时空并不是在基本层面上的。当不同的量子引力理论至少在某些事情上达成一致时,会非常令人兴奋。”

空间的时间边界

现代物理学是其自身成功的受害者。量子物理学和广义相对论在描述各自的现象时都是如此精确,因此量子引力只需要描述最极端的情况,即将巨大的质量塞进深不可测的微小空间。这些极端情况只存在于自然界少数几个地方,比如黑洞的中心——这在物理实验室中,即使是规模最大、最先进的实验室也无法创造这样的情况。这需要一个和星系一样大的粒子加速器来直接测试在量子引力主导的条件下的自然行为。科学家们寻找量子引力理论如此之久,主要原因是缺乏直接的实验数据。

由于缺乏证据,大多数物理学家都把希望寄托在天空上。在大爆炸发生的早期,整个宇宙都非常微小而密集——这种情况需要量子引力来描述。今天,大爆炸的回声可能仍残留在天空中。Maldacena说:“我认为验证量子引力最好的办法是通过宇宙学。宇宙学中可能有一些我们现在认为不可预测的东西,在我们理解了完整的理论或者了解到一些我们从未想到的新事物之后,就可以预测到了。”

然而,在实验室中至少间接验证弦理论或许也会成为可能。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。Maldacena表示,这样的实验可能展现出一些引力特征,但可能不是所有的特征。这也取决于引力是怎么定义的。

我们会知道空间和时间的真正本质吗?来自天空的观测数据可能不会很快公布。在实验室中的实验可能会失败。哲学家们都知道,关于空间和时间的真正本质的问题确实非常古老了。2500年前,哲学家Parmenides说,所有的存在“汇聚成一个连续的整体,包含了所有的‘是’。”他坚持认为时间和变化是幻觉,世界各地的一切都是相同的。他的学生Zeno提出了一些著名的悖论来支持他的观点,声称任何距离上的运动都是不可能的。他们的工作提出了这样一个问题,即时间和空间是否在某种程度上是虚幻的,这个问题背后令人不安的暗示已经困扰着西方哲学两千多年。

Wüthrich说:“事实上,古希腊人问过这样的问题,‘什么是空间?’‘什么是时间?’‘什么是变化?’今天我们仍然在问这些问题,这意味着它们是值得一问的问题。正是通过思考这些问题,我们才学到了很多关于物理学的知识。”

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