Natalie Paquette花时间思考如何增加一个额外的维度。从小圆圈开始,分散在空间和时间的每个点上——一个环形的维度,绕回自身。然后缩小这些圆圈,越来越小,收紧循环,直到一个奇怪的转变发生:维度不再看起来微小,而是变得巨大,就像当你意识到一个看起来很小、很近的东西实际上巨大而遥远。“我们正在缩小一个空间方向,”帕奎特说。“但当我们试图把它缩小到某个点以上时,一个新的、更大的空间方向就会出现。”

华盛顿大学的理论物理学家帕奎特并不是唯一一个思考这种奇怪的次元嬗变的人。越来越多的物理学家在物理学的不同领域以不同的方法进行研究,他们越来越趋向于一个深刻的观点:空间——甚至时间——都不是基本的。相反,空间和时间可能是紧急:它们可能产生于自然界更基本成分的结构和行为。在现实的最深处,像“在哪里?”和“什么时候?”可能根本就没有答案。“我们从物理学中得到了很多启示,我们所理解的时空并不是最基本的东西,”帕奎特说。

这些激进的概念来自于对量子引力理论长达一个世纪的探索的最新进展。物理学家最好的引力理论是广义相对论,这是阿尔伯特·爱因斯坦关于物质如何扭曲空间和时间的著名概念。他们最好的理论是量子物理学,当涉及到物质、能量和亚原子粒子的属性时,它惊人地准确。这两种理论都轻松地通过了物理学家们在过去一个世纪所设计的所有测试。有人可能会想,把它们放在一起,你就会有一个“万物理论”。

但这两种理论并不一致。问广义相对论在量子物理的背景下发生了什么,你会得到矛盾的答案,在你的计算中,不受控制的无限会挣脱出来。大自然知道如何将引力应用到量子环境中——它发生在大爆炸的最初时刻,它仍然发生在黑洞的中心——但我们人类仍在努力理解这个诀窍是如何实现的。部分问题在于这两种理论处理空间和时间的方式。量子物理学认为空间和时间是不可变的,而广义相对论却把它们扭曲成了早餐。

在某种程度上,量子引力理论需要调和这些关于空间和时间的观点。解决这个问题的方法之一就是从问题的源头——时空本身——消除这个问题,让空间和时间从更基本的东西中产生。近年来,一些不同的研究方向都表明,在现实的最深处,空间和时间并不像在我们的日常世界中那样存在。在过去的十年里,这些想法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的东西的工作原理:虫洞——一种在遥远时空点之间假想的隧道状连接。这些成功使人们对取得更深层次的突破抱有希望。如果时空是涌现的,那么弄清楚它从何而来——以及它是如何从其他事物中产生的——可能就是那把最终打开万物理论之门的丢失的钥匙。

弦乐二重唱中的世界

今天,在物理学家中最流行的量子引力候选理论是弦理论。根据这一观点,与它同名的弦是物质和能量的基本组成部分,由此产生了在世界各地的粒子加速器中看到的无数基本亚原子粒子。它们甚至要对引力负责——一种携带引力的假设粒子,即“引力子”,是该理论不可避免的结果。

但是弦理论很难理解,它所处的数学领域已经花费了物理学家和数学家几十年的时间来探索。该理论的大部分结构仍未绘制出来,探险仍在计划中,地图还有待绘制。在这个新领域中,导航的主要技术是通过数学对偶性——一种系统与另一种系统之间的对应关系。

一个例子是本文开头的二元性,即小维度和大维度之间的二元性。试着把一个维度塞进一个小空间,弦理论告诉你,你最终会得到一个在数学上与那个维度很大的世界相同的东西。根据弦理论,这两种情况是一样的——你可以自由地从一种情况切换到另一种情况,并使用一种情况的技术来理解另一种情况是如何工作的。帕奎特说:“如果你仔细研究这个理论的基本组成部分,有时你会很自然地发现……你可能会成长出一个新的空间维度。”

两个涌现时空理论被可视化:一个来自弦理论,另一个来自环量子引力。
图片来源:Elena Hartley

许多弦理论家认为,类似的二元性表明空间本身是涌现的。这个想法始于1997年,当时高级研究所的物理学家胡安·马尔达塞纳(Juan Maldacena)发现了一种广为人知的量子理论——共形场论(CFT)和广义相对论中的一种特殊时空——反德西特空间(AdS)之间的对偶性。这两种理论似乎大相径庭——CFT完全没有引力,而AdS空间则包含了爱因斯坦所有的引力理论。然而,同样的数学可以描述两个世界。当AdS/CFT被发现时,这种对应关系为量子理论和包含引力的完整宇宙之间提供了切实的数学联系。

奇怪的是,AdS/CFT通信中的AdS空间比量子CFT多了一个维度。但是物理学家喜欢这种不匹配,因为它是几年前由荷兰乌得勒支大学的物理学家Gerard ' t Hooft和斯坦福大学的Leonard Susskind设想的另一种对应关系的完整例子,被称为全息原理。根据黑洞的一些特殊特征,t Hooft和Susskind怀疑空间区域的属性可能完全被其边界“编码”了。换句话说,黑洞的二维表面将包含了解其三维内部情况所需的所有信息——就像全息图一样。“我想很多人都认为我们疯了,”苏斯金德说。“两个优秀的物理学家变坏了。”

类似地,在AdS/CFT通信中,四维CFT对与之相关的五维AdS空间的所有内容进行编码。在这个系统中,整个时空区域是建立在共形场论中量子系统各组成部分之间的相互作用之上的。马尔达塞纳把这个过程比作阅读小说。他说:“如果你在书中讲述一个故事,书中的人物就会有所作为。”“但所有的都是一行文字,对吗?”人物在做什么是从这一行文字中推断出来的。书中的人物就像散装(AdS)理论一样。这一行文字就是CFT。”

但广告空间从何而来呢?如果这个空间是涌现的,那么它是从哪里涌现出来的呢?答案是CFT中的一种特殊而奇怪的量子相互作用:纠缠,一种物体之间的远距离连接,以统计上不可能的方式将它们的行为瞬间关联起来。众所周知,量子纠缠曾困扰过爱因斯坦,他称其为“幽灵般的超距作用”。

尽管纠缠令人毛骨悚然,但它却是量子物理学的一个核心特征。在量子力学中,当任何两个物体相互作用时,它们通常会纠缠在一起,并且只要它们与世界的其他部分隔离,它们就会一直纠缠在一起——不管它们相距多远。在实验中,物理学家保持了距离超过1000公里的粒子之间的纠缠,甚至保持了地面上的粒子和发送到轨道卫星上的粒子之间的纠缠。原则上,两个纠缠的粒子可以在星系或宇宙的相反方向保持联系。距离似乎对纠缠无关紧要,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,那么纠缠在很长一段距离内持续存在的能力可能就不是那么神秘了——毕竟,距离是一种构造。根据普林斯顿大学的物理学家Shinsei Ryu和京都大学的Tadashi Takayanagi对AdS/CFT对应关系的研究,纠缠首先是AdS空间中产生距离的原因。对偶性AdS侧的任何两个邻近的空间区域都对应于CFT的两个高度纠缠的量子分量。它们越是纠缠在一起,空间区域之间的距离就越近。

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。“是什么把空间维系在一起,防止它分裂成不同的子区域?”答案是空间两个部分之间的纠缠,”苏斯金德说。“空间的连续性和连通性归功于量子力学的纠缠。”那么,纠缠可以巩固空间本身的结构,形成产生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,”苏斯金德说。“它将起到与崛起相反的作用。它会消失。”

如果空间是由纠缠构成的,那么量子引力的谜题似乎就容易解决得多:与其试图用量子的方式解释空间的扭曲,空间本身就从根本上产生于量子现象。苏斯金德怀疑,这就是为什么量子引力理论一开始就如此难以找到的原因。他说:“我认为它从来没有很好地工作过的原因是,它从(广义相对论)和量子力学这两种不同事物的图景开始,然后把它们组合在一起。”“我认为问题的关键是,它们的关系实在是太密切了,不能把它们分开,然后再放回去。没有量子力学就没有引力"

然而,考虑紧急空间只是工作的一半。由于空间和时间在相对论中有着如此密切的联系,任何关于空间如何产生的解释都必须同时解释时间。“时间也必须以某种方式出现,”英属哥伦比亚大学的物理学家、纠缠和时空之间联系的先驱马克·范·拉姆斯顿克说。“但这一点还没有得到很好的理解,是一个活跃的研究领域。”

他说,另一个活跃的领域是利用突发时空模型来理解虫洞。以前,许多物理学家认为通过虫洞传送物体是不可能的,即使在理论上也是如此。但在过去几年里,致力于AdS/CFT对应关系和类似模型的物理学家们发现了构建虫洞的新方法。van Raamsdonk说:“我们不知道在我们的宇宙中是否能做到这一点。”“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的。”两篇论文——一篇发表于2016年,一篇发表于2018年——引发了该领域持续的研究狂潮。但是,即使可以建造可穿越的虫洞,它们对太空旅行也没有多大用处。正如苏斯金德所指出的,“你穿过虫洞的速度不能超过(光)绕行一圈的速度。”

沙漏。
图片来源:Stephania Infante

思考的空间

如果弦理论家是正确的,那么空间是由量子纠缠建立起来的,时间可能也是如此。但这到底意味着什么呢?空间怎么可能由物体之间的纠缠“构成”,除非这些物体本身就在某个地方?如果不经历时间和变化,这些物体怎么可能纠缠在一起呢?没有真正的时空,事物又会有怎样的存在呢?

这些都是接近哲学的问题——事实上,物理学的哲学家们正在认真对待它们。“时空怎么会是一种突然出现的东西呢?伦敦国王学院的物理学哲学家埃莉诺·诺克斯问道。她说,直觉上,这似乎是不可能的。但诺克斯认为这不是问题。“我们的直觉有时很糟糕,”她说。它们“在非洲稀树大草原上进化,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。当谈到量子引力时,“‘物质在哪里?和“它住在哪里?”’不是应该问的正确问题,”诺克斯总结道。

物体确实存在于日常生活的某些地方。但正如诺克斯和其他许多人所指出的,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任何基本的东西中产生。日内瓦大学的物理学哲学家Christian Wüthrich说,考虑一种液体。“归根结底,它是基本粒子,比如电子、质子和中子,甚至更基本的夸克和轻子。夸克和轻子有液体性质吗?这根本说不通,对吧?然而,当这些基本粒子以足够的数量聚集在一起,并共同表现出某种行为,集体行为时,它们就会像液体一样作用。”

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,时空可能产生于我们通常认为生活在宇宙中的物质和能量本身。Wüthrich说:“并不是说我们先有空间和时间,然后再加入一些物质。”相反,物质的东西可能是空间和时间存在的必要条件。这仍然是一种非常密切的联系,但这与你最初可能认为的方式相反。”

但是还有其他的方法来解释最新的发现。AdS/CFT的对应关系通常被视为时空如何从量子系统中产生的一个例子,但根据加州大学戴维斯分校的物理学哲学家Alyssa Ney的说法,这可能不是它实际上所显示的。“AdS/CFT使你能够提供关于时空的事实和量子理论事实之间的翻译手册,”Ney说。“这与时空是涌现的,一些量子理论是基础的说法是一致的。”但她说,反过来也是如此。这种对应关系可能意味着量子理论是新兴的,而时空是基本的——或者两者都不是基本的,而存在着一些更深层的基本理论。内伊说,涌现是一个强有力的主张,她愿意接受这种可能性,即这是真的。“但至少从AdS/CFT来看,我仍然没有看到出现的明确理由。”

在AdS/CFT对应关系本身的名义上,对弦理论的突发时空图像的一个更大的挑战可以说是隐藏在显而易见的地方。“我们并不是生活在反德西特的空间里,”苏斯金德说。“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膨胀的宇宙,就像我们自己的宇宙一样。Susskind总结道:“我们还不知道全息摄影技术如何应用于此。”对于弦理论学家来说,最紧迫的问题之一就是如何在一个更接近真实宇宙的空间中建立这种对应关系。van Raamsdonk说:“我认为我们将能够更好地理解如何进入这个宇宙版本。”

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证据,超对称性是弦理论所依赖的一个概念。超对称性表明,所有已知的粒子都有自己的“超级伙伴”,使基本粒子的数量翻倍。但欧洲核子研究中心位于日内瓦附近的大型强子对撞机(该对撞机部分是为了寻找超级伙伴而设计的)却没有发现它们的迹象。“我们拥有的所有(涌现时空)真正精确的版本都在超对称理论中,”Susskind说。“一旦你没有超对称性,从数学上理解方程式的能力就会从你的手中消失。”

时空的原子

弦理论并不是表明时空是涌现的唯一理论。宾夕法尼亚州立大学的物理学家Abhay Ashtekar说,弦论“未能实现它作为一种结合引力和量子力学的方法的承诺”。“现在,弦理论的力量在于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学领域。”阿什特卡是弦理论最受欢迎的替代理论——环量子引力的最初先驱之一。在环量子引力中,空间和时间并不像在广义相对论中那样平滑连续——相反,它们是由离散的成分构成的,阿什特卡称之为“时空的块或原子”。

这些时空的原子连接在一个网络中,一维和二维的表面将它们连接在一起,形成环量子引力实践者所说的自旋泡沫。尽管泡沫被限制在二维空间中,它却形成了我们的四维世界,有三维空间和一维时间。阿什特卡尔把它比作一件衣服。“如果你看你的衬衫,它看起来就像一个二维的表面,”他说。“如果你拿一个放大镜,你马上就会看到所有的都是一维的线程。只是这些线是如此的密集,以至于在实际应用中,你可以把衬衫想象成一个二维的表面。所以,同样地,我们周围的空间看起来像一个三维连续体。但这些(时空的)原子确实是纵横交错的。”

虽然弦理论和环量子引力都认为时空是涌现的,但涌现的类型在这两个理论中是不同的。弦理论认为时空(或者至少是空间)是从一个看似不相关的系统的行为中产生的,以纠缠的形式出现。想想交通堵塞是如何从个体司机的集体决策中产生的。汽车不是由交通构成的——汽车使交通。另一方面,在环圈量子引力中,时空的出现更像是风中沙粒集体运动产生的倾斜沙丘。平滑熟悉的时空来自于时空微小“颗粒”的集体行为;就像沙丘一样,沙粒仍然是沙子,尽管厚实的晶体颗粒看起来或行为不像起伏的沙丘。

尽管存在这些差异,环量子引力和弦理论都表明时空产生于一些潜在的现实。它们也不是唯一指向这个方向的量子引力理论。因果集理论是量子引力理论的另一个竞争者,它假设空间和时间也由更基本的成分组成。诺克斯说:“令人惊讶的是,对于我们拥有的大多数貌似合理的量子引力理论来说,在某种意义上,它们传递的信息是,是的,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,人们会非常兴奋。”

时空边缘的空间未来

现代物理学是自身成功的牺牲品。因为量子物理学和广义相对论都非常精确,所以量子引力只需要描述极端情况,即巨大的质量被塞进深不可测的微小空间。这些条件只存在于自然界的少数地方,比如黑洞的中心,而且明显不在物理实验室中,甚至在最大、最强的实验室中也不存在。需要一个星系大小的粒子加速器才能直接测试在量子引力支配的条件下自然界的行为。科学家们对量子引力理论的探索如此漫长,很大程度上是因为缺乏直接的实验数据。

面对缺乏证据,大多数物理学家把希望寄托在天空上。在大爆炸的最初时刻,整个宇宙异常地小而密集——这种情况需要量子引力来描述。那个时代的回声今天仍在天空中回荡。Maldacena说:“我认为我们(测试量子引力)最好的办法是通过宇宙学。”“也许在宇宙学中,我们现在认为是不可预测的,但一旦我们理解了完整的理论,也许就可以预测,或者是一些我们甚至没有考虑过的新事物。”

然而,在测试弦理论方面,实验室实验至少可以间接地派上用场。科学家们希望研究AdS/CFT的对应关系不是通过探测时空,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。马尔达塞纳说,这样的实验可能“有一些重力的特征,但可能不是所有的特征。”“这也取决于你怎么称呼重力。”

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出现。实验室实验可能会失败。正如哲学家们所深知的,关于空间和时间的真正本质的问题确实非常古老。2500年前,哲学家帕门尼德(Parmenides)说过,存在的东西“现在都是一体的,一体的,连续的”。“一切都充满了本质。”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一样的。他的学生芝诺创造了著名的悖论来证明老师的观点,声称运动超过任何距离都是不可能的。他们的研究提出了这样一个问题:时间和空间是否在某种程度上是虚幻的,这个令人不安的前景已经困扰了西方哲学两千多年。

“事实上,古希腊人问过这样的问题:‘什么是空间?“时间是什么?”“什么是变化?”’我们今天仍然会问这些问题的不同版本,这意味着它们是应该问的正确问题,”Wüthrich说。“正是通过思考这类问题,我们学到了很多物理知识。”