互动科普

许多研究者认为，只有当物理学不仅能够解释空间和时间的表现，还能解释其起源时，它才算是完整的。

撰文：泽亚·梅拉里（Zeeya Merali） 翻译：陈磊 审校：马永革

“想象一下，有一天你醒来后，突然意识到自己生活在一个电脑游戏中，”加拿大英属哥伦比亚大学的物理学家马克·范拉姆斯东克（Mark Van Raamsdonk）说。这听起来像是科幻电影，但对他来说，这个场景是思考现实的一种方式。如果这是真实的，“我们周围的所有东西——整个三维物理世界，就是别处一个二维芯片的编码信息所产生的幻觉”。也就是说，我们的宇宙及其三维空间，只是低维度基质所投射出的全息图（hologram）。

即使从理论物理学的一般标准来看，这种“全息原理”也是很奇特的。不过有一小部分研究人员认为这还不够奇特，范拉姆斯东克就是其中之一。他们认为，如果现代物理的两大支柱，广义相对论（把引力描述为空间和时间的弯曲）以及统领原子世界的量子力学，都不能解释空间和时间的存在，其他现有理论就更不可能了。

范拉姆斯东克和同事确信，只有解释出空间和时间的起源，物理学才是完整的。而这样的构想将需要大胆地设想，例如“全息图”概念。只有对现实进行激烈的概念重建，才够解释，当黑洞中心无限致密的“奇点”将时空结构扭曲得超越了我们所有认知时，到底发生了什么，这也是研究者统一原子尺度的量子理论与星际尺度的广义相对论的唯一途径。已经有几代理论物理学家在为这个大统一理论而奋斗。

“所有的经验告诉我们，不应该存在两个关于现实的截然不同的基本观念——必然存在一个可以包罗万象的宏大理论，”美国宾夕法尼亚州立大学的物理学家阿布依·阿希提卡（Abhay Ashtekar）如是说。找寻这样的宏大理论是一个艰巨的挑战。本文介绍了一些有前景的研究理论以及一些用于检验这些理论的新观点。

热力学引力

一个最显而易见的问题是：这样的努力是否徒劳？有什么证据显示，存在比空间和时间更基本的东西？

20世纪70年代初，当量子力学和引力与热力学之间的联系越来越清晰时，一系列惊人的发现给出了一个令人兴奋的线索。

1974年英国剑桥大学的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）证明，黑洞周围空间的量子效应使得黑洞向外释放热辐射。其他物理学家很快验证了这种现象的普遍性。他们发现，即使在完全的真空中，处于加速状态的宇航员仍然会感觉到自己处在热辐射之中。如果量子理论和广义相对论是对的——都已被大量的实验所证实，那么存在霍金辐射似乎不可避免。

第二个重要的发现也与此紧密相关。在标准的热力学理论中，物体只有通过减少自身的熵（物体内部量子态数目的量度），才能释放热量。黑洞也是如此。在霍金那篇论文发表之前，现任教于耶路撒冷希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）已经证明了黑洞同样有熵。但有所不同的是，大多数物体的熵与其含有的原子数目成正比，因而正比于体积；而黑洞的熵却与其视界面（即黑洞的边界，在此边界以内即使光也无法逃离）的面积成正比。视界面似乎包含了黑洞内部的信息，就像三维图像的二维编码全息图一样。

1995年，马里兰大学帕克分校的物理学家特德·雅各布森（Ted Jacobson）把这两个发现合并为一，假设空间中的每一点都处在一个微小的“黑洞视界面上”，每一点都满足“熵—面积”的关系。在这样的假设下，他发现只需利用热力学中的概念，通过数学方法就可以得到广义相对论的爱因斯坦方程，而不需要时空弯曲的观点。

“这似乎是引力起源更深层次的内容，” 雅各布森说。尤其当热力学定律在自然界中以统计形式呈现（无数原子和分子运动的宏观平均）时，他的结果暗示了引力也是统计形式的，是时间和空间中看不见的组分的宏观近似。

2010年，这个观点又被阿姆斯特丹大学的弦理论学家埃里克·韦尔兰德（Erik Verlinde）推进了一步。他证明了无论时空的组分是什么，它们的统计热力学都能自动地生成牛顿万有引力定律。

印度校际天文和天体物理学中心的宇宙学家他努·帕德马纳班（Thanu Padmanabhan）也发现，爱因斯坦方程可以写成一种与热力学定律一致的形式，引力的许多其他理论也可以做这样的改写。帕德马纳班正在尝试用热力学的方法来解释暗能量的起源和大小。

想要用实验来检验这些想法是极其困难的。就像流水，看上去极其光滑，但在分子尺度（纳米量级）上观察时却不是这样。时空也一样，测算表明，时空在宏观上看起来是连续的，但在普朗克尺度（即大约10-35米）下，情况就不是这样了。

但实验检验并非完全不可能。人们经常用到的测量时空是否由离散组分构成的方法是：当高能光子从遥远的宇宙事件（例如超新星和γ射线爆发等）中前往地球时，观测其是否存在延迟。从效果上看，最短波长的光子在传播的过程中会由于时空的离散性，受到轻微颠簸而减慢速度，哪怕减慢得非常微小。2013年4月，罗马大学的量子引力学家乔凡尼·阿梅利诺－卡梅利亚（Giovanni Amelino-Camelia）和同事从γ射线爆发所释放的光子中，发现了这样的延迟迹象。阿梅利诺－卡梅利亚说，虽然记录结果还不确定，但研究小组计划扩大搜索范围，进一步观察宇宙事件产生的高能中微子的旅行时间。

圈量子引力

即使热力学途径是对的，这种方法仍无法说明时间和空间中的基本组分是什么。假如说时空是一个纺织品，那么，织就这件纺织品的线是什么呢？

一个可能的答案是圈量子引力理论（theory of loop quantum gravity），该理论由阿希提卡等人于上世纪80年代中期提出，它把时空结构描述为一张演化着的蜘蛛网，构成蜘蛛网的线携带着它们经过区域的量子化面积和体积的信息。网中的每一条线，最终必须把端点连在一起形成圈，这正是理论名称的由来，但与弦论中的弦没有关系。弦论中的弦在时空中移动，而圈量子引力中的线实际上本身就是时空：它们所携带的信息定义了附近的时空结构的形状。

圈是量子化的客体，就像普通量子力学定义氢原子中电子的最小基态能量那样，圈定义了最小的面积单元。这种面积的量子区域大约有1个普朗克尺度大小。如果试图在最小面积单元中插入另一个更小面积的线，那么原来的那个圈只能从时空之网的其他部分断开，无法再与其他任何的线连在一起，因此只能掉出时空。

“最小面积”导致了一个很理想的结果：圈量子引力不会将无限曲率压缩到无穷小的点上。这意味着，广义相对论中，在黑洞中心和宇宙大爆炸时使爱因斯坦方程失效的奇点，不会出现在该理论中。

2006年，阿希提卡和同事报道了他们进行的一系列模拟，利用爱因斯坦方程的圈量子引力形式把时钟回调，来观测宇宙大爆炸前发生了什么。大爆炸前的宇宙果然如所料想的那样向大爆炸点收缩。但当宇宙接近于圈量子引力所决定的基本极限尺寸时，排斥力产生，使奇点打开，并使宇宙通过一个隧道进入了一个早于我们现有宇宙的状态。

2013年，乌拉圭大学的物理学家鲁道夫·嘉碧尼（Rodolfo Gambini）和美国路易斯安那州立大学的豪尔赫·普林（Jorge Pullin）报告了对黑洞进行的类似模拟。他们发现，当一个观测者深入黑洞中心时不会遇到奇点，而会进入一个通往另一空间的小时空隧道。

圈量子引力不是一个完整的统一理论，因为它不包括其他的力。而且物理学家还要说明，普通时空是如何从这样一个信息网中产生的。不过，德国马普引力物理研究所的物理学家丹尼尔·奥利提（Daniele Oriti）希望从凝聚态物理学家的工作中（他们已经发现了量子场论描述的、当物质处于过渡状态时的奇异相位）找到一些灵感。奥利提和同事正在寻找公式来描述宇宙中类似的相变——从一组离散的圈转化成光滑、连续的时空。奥利提说，“现在只是初级阶段，我们的工作是艰巨的，因为我们是游在流体中的鱼，同时又想了解这个流体”。

因果集

这些困难已经使一些研究者转向一个简约的因果集理论。加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的物理学家拉斐尔·索尔金（Rafael Sorkin）是这方面的先驱，这个理论假设时空的基石只是简单的数学点，通过一条条链连接起来，每条链都从过去指向未来。每一条这样的链都是因果关系的简要表示，意味着较早的点会影响较晚的点，但反之不成立。这样形成的网络就像一棵不断长大的树，逐渐长成了时空。“你可以想象空间从许多点中产生，与温度从许多原子中出现是类似的。” 索尔金说，“问‘一个原子的温度是什么？’这个问题是没有意义的，只有对于一大堆原子，温度的概念才有意义。”

上世纪80年代末，索尔金利用这个理论框架来估算，可观测的宇宙所包含的点的数目，他还推测出，这些点应该都会产生一种微弱的内在能量，最终导致了宇宙的加速膨胀。几年以后，暗能量的发现证实了他的推测。“人们通常认为量子引力的预言是无法检验的，但这就是一个可检验的例子。”伦敦帝国理工学院的量子引力学家乔·亨森（Joe Henson）说，“如果暗能量的值更大或者为0，因果集理论就被排除了。”

因果动力学三角剖分

除了那个基本已经完成的证明，因果集理论几乎没有提供其他可以检验的预言。一些物理学家发现，用计算机来模拟能得出更多结果。这一想法要追溯到上世纪90年代初，为了近似地模拟，那些组成时空的微小组块在量子涨落机制下会组成怎样的基本单位，以及这些微小组块如何自动地粘在一起形成更大的结构。

荷兰内梅亨大学的物理学家雷纳特·洛尔（Renate Loll）说，最早的努力结果是令人失望的。时空的基石是简单的超锥体（三维四面体的四维对应），模拟的粘合规则允许它们自由组合。其结果就得到了一系列奇异的“宇宙”，它们有过多或过少的维数，以至于折叠进自己内部或破碎成碎片。“这是一种混战，由此产生的宇宙与我们所见到的完全不一样，”洛尔说。

但洛尔和同事就像索尔金一样，后来发现如果增加因果关系，一切就会改变。洛尔说，毕竟时间的维度并不是很像空间的三个维度。“我们不能在时间中前后旅行，”她说。因此研究团队改变了模拟方式，以确保结果不会发生在原因之前。结果发现，时空小块开始一致排列成光滑的四维宇宙，其性质与我们的宇宙是相似的。

这样的模拟还预示了宇宙在大爆炸之后不久，经过了一个只有二维的早期阶段，一维是空间，一维是时间。其他一些试图寻找量子引力方程的科学家也提出过这个预言，甚至一些人认为，暗能量的出现标志着我们的宇宙正在生长出第4个空间维度。有学者已经证明，宇宙早期的二维时期会产生一些模式，就像我们在宇宙微波背景中看到的那样。

全息

与此同时，范拉姆斯东克根据全息原理，提出了一个完全不同的关于时空起源的观点。黑洞以类似全息图的方式将全部熵储存在表面，受此现象启发，美国普林斯顿高等研究院的弦理论学家胡安·马尔达塞纳（Juan Maldacena），首先给出了黑洞全息原理的准确数学表达式。这一极有影响力的全息宇宙模型发表于1998年。在这个模型中，宇宙的三维内部包含着仅由引力控制的弦和黑洞，而宇宙的二维边界包含的粒子和基本场，则满足没有引力的普通量子定律。

三维空间中，假想的居民看不到二维边界，因为它是无限远的。但这并不影响数学推导：在三维宇宙中发生的任何事情，都可以等价地用二维边界中的方程很好地描述出来，反之亦然。

2010年，范拉姆斯东克研究了边界中的量子粒子相互“纠缠”（这意味着测量一个粒子会不可避免地影响到另一个）的情形。他发现，如果在二维边界上，两个区域之间的每对纠缠粒子的纠缠态逐渐减少为0，使得两个区域之间的量子关联消失，那么对应地，三维空间就会像细胞分裂一样，逐渐断裂开，分成两部分。不断重复该过程，三维空间会不断分裂，而其二维边界仍保持连通。因此，范拉姆斯东克总结说，三维宇宙实际上是被边界上的量子纠缠扯到一起的。在某种程度上，这意味量子纠缠和时空是同样的东西。

或者就像马尔达塞纳总结的那样，“这说明量子是最基础的，时空是由其衍生出来的。”

本文作者：泽亚·梅拉里是伦敦的一名自由撰稿人。

本文译者：陈磊任教于北京师范大学哲学与社会学学院，研究领域为现代逻辑及应用。

本文审校：马永革是北京师范大学物理学系教授，国际广义相对论和引力学会理事，也是中国物理学会引力与相对论天体物理分会副理事长，研究领域为广义相对论与量子引力。