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时空的量子起源

2019-05-18  人老颠东

撰文:Tom Siegfried

剧作家罗德·瑟林(Rod Serling)了解与维度有关的一切。他的剧集《迷离境界》(The Twilight Zone)是一个想象的维度,一个视觉、听觉和思维的维度,一个如空间般广阔、如无限般永恒的维度。当中的一切都很清楚,除了与空间和时间有关的部分,也就是真实世界中的维度。瑟林从来没有解释过这些。

自从爱因斯坦以来,科学家一直在挠头思考,到底要如何理解空间和时间。在那之前,几乎所有人都认为牛顿已经把一切都解释清楚了。牛顿宣称,时间均匀地流淌,与任何外部事物都无关;绝对空间也只关于自身,总是相似且不可移动的,在空间中什么也没有。物理现实的事件独立地发生在一个中立的舞台上,演员们昂首阔步、四处移动,却并不影响剧院的其他部分。

但爱因斯坦的理论将牛顿的绝对空间与时间变成了相对论式的混合体,他的方程预示的是一个融合的时空,这就像是一种新的竞技场,场上的运动员能改变赛场周围的空间。相对论改变了物理学的游戏规则。空间和时间不再是为物质和能量提供的一个毫无特征的背景。之前彼此独立、均匀展开的空间和时间变得不可分割且充满变化。正如爱因斯坦在他的广义相对论中所展示的那样,物质和能量会扭曲周围的时空。这个简单的事实解释了引力。牛顿理论中的引力作用成为了一种由时空几何造成的错觉。是时空的形状决定了大质量物体的运动,而大质量物体反过来又决定了时空的形状,这是一种互为对称的原则。

爱因斯坦掀起了一场时空革命,而对这场革命的验证出现在一个世纪之前。当时,一个考察项目精确测量了在日食发生时,来自遥远星体的光在接近太阳边缘时出现的弯曲程度,从而证实了广义相对论的主要预测。但时空仍然神秘莫测。因为时空并非虚空,所以人们自然会好奇,时空到底从何而来。

如今,在上个世纪另一场伟大的物理学奇迹——量子力学的基础之上,一场新的革命即将回答这个问题。这场革命将有望再次改写时空的概念,甚至还有可能解释量子力学为何如此怪异。

在《凝聚态物理学年鉴2018》中,物理学家布莱恩·斯温格尔(Brian Swingle)写道:“时空和引力最终必然来自其他东西。”否则,我们将很难看到要如何协调爱因斯坦的引力理论和量子力学的数学之间长期以来的不相容。爱因斯坦将引力看作是时空几何的表现形式,这种观点取得了巨大的成功。但量子力学也是如此,它准确无误地描述了物质和能量在原子尺度上的相互作用。然而,在试图找到一种能让量子的奇异性与几何引力相调和的连贯数学时,物理学家却遭遇了技术和概念上的巨大障碍。

至少长期以来,对于尝试理解普通的时空而言,情况都是如此。但是,从对其他的时空几何的理论研究中,涌现出了可能通往一条前进道路的线索。其中一种替代理论被称为反德西特空间(anti-de Sitter space),它具有奇怪的弯曲,而且倾向于向自身坍缩,而不是像我们的宇宙那样膨胀。反德西特空间不会是一个适合居住的地方,但作为一个研究量子引力理论的实验室,它能提供很多东西。斯温格尔写道:“量子引力非常丰富且令人困惑,就连模型宇宙也能给物理学带来巨大的启发。” 

例如,对反德西特空间的研究表明,描述引力(也就是时空几何)的数学可以等价于低一个维度的空间中的量子物理数学。这就像是全息图,它是一个能体现三维图像的平坦二维曲面。以这样的思维来看,或许四维的时空几何可以被编码进三维空间的量子物理数学。又或者,我们需要更多的维度,而到底需要多少个维度也是问题的一部分。

无论如何,沿着这些道路进行的研究揭示了一种令人惊讶的可能性:时空本身可能由量子物理学产生,特别是由量子纠缠这种令人困惑的现象产生。

正如人们普遍解释的那样,纠缠是一种幽灵般的连接,能将哪怕相隔遥远的粒子也连接在一起。如果这些粒子是从一个共同的源发出的,那么无论它们彼此相距多远,仍然会纠缠在一起。如果测量其中一个粒子的特性(比如自旋或偏振),那么我们也会知道对另一个粒子进行同样的测量会得出什么结果。但在测量之前,这些性质是不确定的,这是一个颇为违反直觉的事实,但它已经被许多实验所证实。它看起来像是一个地方的测量结果决定了另一个遥远地方的测量结果。

这听起来似乎在暗示,纠缠的粒子必须能够以超过光速的速度交流。否则我们无法想象,在广阔的时空中,其中一个粒子如何知道另一个粒子发生了什么。但它们之间事实上不会发送任何信息。那么,纠缠的粒子如何跨越分隔它们的时空鸿沟呢?或许答案是,它们没有必要这样做,因为纠缠并不在时空中发生。而是纠缠创造了时空。

至少,这是模型宇宙目前带给我们的启发。斯温格尔在文章中写道:“时空和引力的出现是量子多体物理学中的一个神秘现象,我们想要理解它。”在几位顶尖物理学家的不懈努力下,我们已经获取了一些理论证据,表明是纠缠的量子态网络编织了时空的结构。这些量子态通常用“量子比特”来描述,也就是量子信息位元,它们就像普通计算机中的比特一样,只不过不是简单的1或0,而是1和0的叠加。纠缠的量子比特会生成具有一个额外维度的空间几何网络,超出这些量子比特所在的维度数量。所以量子比特的量子物理可以等同于具有一个额外维度的空间几何。最重要的是,纠缠的量子比特所生成的几何结构可能非常符合爱因斯坦的广义相对论方程,至少最新的研究是指向这个方向的。Swingle写道:“显然,从纠缠中建立的具有正确性质的几何必须遵守引力运动方程。这一结果进一步证明,时空起源于纠缠的说法是正确的。”

尽管如此,我们仍然需要证明的是,在具有额外维度的模型宇宙中所发现的线索,能否在普通时空中叙述一个真实的故事,在这个真实的故事中,真正的物理学家昂首阔步、挠头思考。没有人真正确切地知道,现实世界中的量子过程将如何编织时空的结构。或许我们会发现在计算中所作的一些假设是错误的。但也有可能是物理学正处于一种边缘状态,它比以往任何时候都更深入地探究大自然的基础,探索包含此前未知的时空维度(或是视觉和声音)在内的存在,而这种未知的维度最终或许能让《迷离境界》变成一场真人节目。

译:乌鸦少年

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