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參考消息網(wǎng)2月19日報(bào)道時空究竟是由什么構(gòu)成的？《科學(xué)美國人》月刊網(wǎng)站1月30日發(fā)表作者亞當(dāng)·貝克爾的文章稱，物理學(xué)提供的諸多暗示表明，我們認(rèn)識的時空不是基本的東西。全文摘編如下：

納塔莉·帕克特會花時間思考如何發(fā)展出一個額外的維度。先從分散在時空中每個點(diǎn)上的小圓圈開始——這是一種朝自身環(huán)繞回來的卷曲的維度。然后把這些圓圈縮小，促使環(huán)路收緊，直到出現(xiàn)一種奇特的變化：這個維度看起來不再很小，而是變得巨大，就像有時你會意識到，看起來很小、很近的東西實(shí)際上是巨大、遙遠(yuǎn)的。

基本存在？

身為美國華盛頓大學(xué)的理論物理學(xué)家，帕克特并不是唯一思考這種奇怪的維度變化問題的人。越來越多的物理學(xué)家——盡管以不同方法在物理學(xué)的不同領(lǐng)域工作——正日益就一種深刻的思想達(dá)成共識。這種思想就是，空間——甚至?xí)r間——不是基本的存在。相反，空間和時間可能是一種突現(xiàn)的特征：它們可能源自大自然更基本組成部分的結(jié)構(gòu)和行為。在現(xiàn)實(shí)的最深層面，諸如“何地？”“何時？”這類問題或許根本就沒有答案。

帕克特說：“物理學(xué)提供的諸多暗示表明，我們認(rèn)識的時空不是基本的東西。”

這些激進(jìn)的觀點(diǎn)來自持續(xù)一個世紀(jì)的量子引力理論探索過程中的最新意外進(jìn)展。

物理學(xué)家掌握的最佳引力理論是廣義相對論，即愛因斯坦關(guān)于物質(zhì)如何扭曲時空的著名理論。物理學(xué)家掌握的有關(guān)其他一切事物的最佳理論是量子物理學(xué)。在涉及物質(zhì)、能量和亞原子粒子的特性時，量子物理學(xué)驚人地準(zhǔn)確。這兩種理論都輕而易舉地通過了物理學(xué)家在過去一個世紀(jì)里設(shè)計(jì)出來的所有測試。人們可能會想，把它們放在一起，就會獲得一種“萬物理論”。

但是，這兩種理論不太兼容。如果向廣義相對論尋求以下問題的答案——在量子物理學(xué)的背景下會發(fā)生什么，你會得到自相矛盾的答案。大自然知道如何在量子背景下運(yùn)用引力——這種情況發(fā)生在大爆炸的最初階段，到現(xiàn)在仍在黑洞的中心發(fā)生，但我們?nèi)祟愐廊浑y以理解這個戲法是如何完成的。部分問題在于這兩種理論處理時間和空間的方式。量子物理學(xué)認(rèn)為空間和時間永恒不變，廣義相對論則輕易讓時空發(fā)生扭曲。

量子引力理論需要調(diào)和這些有關(guān)空間和時間的觀點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個辦法是，在其源頭——時空本身——消除有關(guān)問題，方式是讓時空產(chǎn)生于某種更基本的東西。近年來，若干不同的研究路線都顯示，在現(xiàn)實(shí)的最深層面，時間和空間的存在方式不同于它們在我們?nèi)粘Ｉ钪械拇嬖诜绞健Ｔ谶^去10年里，這些思想徹底改變了物理學(xué)家對黑洞的看法。現(xiàn)在，研究人員正利用這些概念來闡明某種更奇異的東西的運(yùn)作方式。這種東西就是蟲洞——連接時空中相距很遠(yuǎn)的點(diǎn)的假想隧道。這方面的成功維系了取得更深層次突破的希望。如果時空是突現(xiàn)的，那么弄清楚其來自哪里——以及如何能夠從其他任何東西中產(chǎn)生——可能就是那把丟失的鑰匙，它最終將打開通往“萬物理論”的大門。

今天，物理學(xué)家中最流行的候選量子引力理論是弦理論。該理論認(rèn)為，弦是物質(zhì)和能量的基本組成部分，它們產(chǎn)生了在世界各地的粒子加速器中可以看到的無數(shù)基本亞原子粒子。它們甚至是引力誕生的源頭。

但弦理論很難理解——它存在于物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家花了幾十年時間探索的數(shù)學(xué)領(lǐng)域。該理論的大部分結(jié)構(gòu)尚屬未知，“探險(xiǎn)”活動仍處于計(jì)劃階段，“地圖”仍待繪制。在這個新領(lǐng)域中，主要“導(dǎo)航”技術(shù)是通過數(shù)學(xué)對偶性——一種系統(tǒng)和另一種系統(tǒng)之間的對應(yīng)關(guān)系——實(shí)現(xiàn)的。

一個例子就是本文開頭提到的小維度和大維度之間的對偶性。試著把一個維度塞進(jìn)一個小空間，然后弦理論會告訴你，你最終得到的東西在數(shù)學(xué)上與一個擁有巨大維度的世界完全相同。根據(jù)弦理論，這兩種情況是一樣的——你可以在兩種情況之間自由往返，并用一種情況下的技術(shù)去理解另一種情況是如何運(yùn)作的。

量子糾纏？

在許多弦理論家看來，一個類似的對偶現(xiàn)象意味著，空間本身是一種突現(xiàn)的特征。這一思想誕生于1997年，當(dāng)時美國普林斯頓高等研究院的物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)塞納發(fā)現(xiàn)，在一種為人熟知的量子理論與一種特殊類型的時空之間存在對偶性。這種為人熟知的量子理論名為“共形場論”（CFT），而這種特殊類型的時空出自廣義相對論，名為“反德西特空間”（AdS）。兩者似乎是截然不同的理論——CFT中沒有萬有引力，而AdS包含全部的愛因斯坦引力理論。然而，可以用同樣的數(shù)學(xué)理論來描述這兩個世界。這一情況被人發(fā)現(xiàn)后，AdS和CFT的對應(yīng)關(guān)系在量子理論和包含引力的整個宇宙之間建立了明確的數(shù)學(xué)聯(lián)系。

奇怪的是，在AdS與CFT的對應(yīng)關(guān)系中，AdS比CFT多了一個維度。但物理學(xué)家喜歡這種不匹配，因?yàn)樗悄侵皫啄旰商m烏得勒支大學(xué)物理學(xué)家赫拉德·特霍夫特和美國斯坦福大學(xué)物理學(xué)家萊昂納德·薩斯坎德設(shè)想的另一種對應(yīng)方式的一個例子。這種對應(yīng)方式名為“全息原理”。基于黑洞的一些不同尋常的特性，特霍夫特和薩斯坎德懷疑，一個空間區(qū)域的各種特性可能被其邊界完全“編碼”。換句話說，黑洞的二維表面可能包含著了解其三維內(nèi)部所需的所有信息——就像一幅全息圖。

類似地，在AdS和CFT的對應(yīng)關(guān)系中，四維的CFT給與五維AdS有關(guān)的所有東西都編了碼。馬爾達(dá)塞納將這一過程比作讀小說。他說：“書中有各種角色，他們各有作為。但讀者只會看到文本，對吧？這些角色做了什么是讀者從文本中推斷出來的。書中的角色就像大部頭的（AdS）理論。而文本就是（CFT）。”

但在AdS中，空間來自哪里？如果這個空間是一種突現(xiàn)的特征，它又來自何處？答案在于CFT中一種特殊且奇怪的量子相互作用——糾纏。

糾纏是物體之間的一種遠(yuǎn)距離聯(lián)系。它會以非常奇異的方式瞬時把物體的行為關(guān)聯(lián)起來。眾所周知，糾纏問題曾困擾愛因斯坦，他稱之為“幽靈般的遠(yuǎn)距作用”。

盡管很奇怪，糾纏卻是量子物理學(xué)的一個核心特征。當(dāng)兩個物體在量子力學(xué)中發(fā)生相互作用時，它們通常會發(fā)生糾纏，并且它們會保持糾纏狀態(tài)，只要它們與世界其他部分隔開——不管它們之間的距離有多遠(yuǎn)。在一些實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家們讓相距1000多公里的粒子之間保持糾纏。他們甚至讓地面上的粒子與被送到衛(wèi)星上的其他粒子保持糾纏。

原則上，兩個分別位于銀河系或宇宙兩側(cè)的相互糾纏的粒子可以維持它們的聯(lián)系。對于糾纏來說，距離似乎不成問題。幾十年來，這個難題困擾著許多物理學(xué)家。

但是，如果空間是突現(xiàn)的，那么糾纏現(xiàn)象能夠跨越遙遠(yuǎn)距離持續(xù)存在或許就不會神秘得可怕了——畢竟，距離是一種結(jié)構(gòu)。

一些物理學(xué)家對AdS與CFT對應(yīng)關(guān)系所做的研究顯示，糾纏是AdS中最初產(chǎn)生距離的原因。在AdS這一側(cè)，任何兩個鄰近的空間區(qū)域都對應(yīng)著CFT的兩個高度糾纏的量子組成部分。它們的糾纏程度越高，上述空間區(qū)域就靠得越近。

穿越蟲洞？

近年來，物理學(xué)家開始懷疑，這種關(guān)系可能也適用于我們的宇宙。

薩斯坎德說：“是什么讓空間結(jié)合在一起并防止它分裂為不同的次級區(qū)域呢？答案在于空間的兩個部分之間的糾纏。空間具備連續(xù)性和連通性要?dú)w功于量子力學(xué)糾纏。”因此，糾纏可能鞏固了空間自身的結(jié)構(gòu)。它形成經(jīng)緯線，進(jìn)而產(chǎn)生世界的幾何結(jié)構(gòu)。薩斯坎德說：“如果能以某種方式破壞（空間）兩個部分之間的糾纏，空間就會土崩瓦解。”

如果空間是糾纏的結(jié)果，那么要解開量子引力之謎似乎就容易得多了：不用試圖從量子角度解釋空間扭曲的原因，因?yàn)榭臻g本身基本上就是從量子現(xiàn)象中產(chǎn)生的。薩斯坎德懷疑，這就是科學(xué)家很難發(fā)現(xiàn)量子引力理論的原因所在。他說：“我認(rèn)為，這項(xiàng)工作不順利的原因在于，它從兩種不同的東西——廣義相對論和量子力學(xué)——出發(fā)，要把它們結(jié)合到一起。我認(rèn)為問題的關(guān)鍵在于，它們的關(guān)系太密切了，不可能分開后再重新組合。沒有量子力學(xué)就沒有引力這回事。”

然而，解釋空間突現(xiàn)的原因只是工作的一半。由于在相對論中空間和時間是如此緊密地聯(lián)系在一起，任何解釋空間如何突現(xiàn)的說法都必須也對時間加以解釋。馬克·范拉姆斯東克是加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家，也是研究糾纏與時空之間聯(lián)系的先驅(qū)。他說：“時間必然也是以某種方式突現(xiàn)的。但這一點(diǎn)還沒有得到很好的理解。這是一個活躍的研究領(lǐng)域。”

他說，另一個活躍的領(lǐng)域是利用時空突現(xiàn)模型來理解蟲洞。許多物理學(xué)家早前認(rèn)為，即使在理論上，讓物體通過蟲洞都是不可能的。但在過去幾年中，研究AdS與CFT對應(yīng)關(guān)系和類似模型的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了構(gòu)建蟲洞的新方法。范拉姆斯東克說：“我們不知道是否能在我們的宇宙中做到這一點(diǎn)。但我們現(xiàn)在知道的是，某些類型的可穿越蟲洞在理論上是可能存在的。”

但是，即使能夠建立起可穿越的蟲洞，它們對太空旅行而言也不會有多大用處。正如薩斯坎德指出的那樣，“和（光）繞遠(yuǎn)走完全程所花的時間相比，你穿越蟲洞所花的時間不可能更少”。

來源：參考消息網(wǎng)（圖片來源網(wǎng)絡(luò) 侵刪）