時空從哪裡來?(圖)


【看中國2013年12月01日訊】時空從哪裡產生?由什麼構成?是來自低維世界的全息投影,還是各種關係作用下的因果集合?許多研究人員認為,物理學不僅要能解釋時空的表現,還要能解釋時空本質的起源,否則物理學的任務就不算完成。

「想像一下,假如有一天你醒來,發現自己生活在計算機遊戲裡。」加拿大英屬哥倫比亞大學物理學家馬克·範拉姆斯東克說。這聽起來像是科幻電影的情節,但這正是他對現實的一種理解方式。如果這是真的,那「我們周圍的一切——整個三維的物理世界——就是一場幻覺,由來自某個地方的二維晶元上的編碼信息所產生的幻覺」。這構成了我們的三維空間宇宙,一種從低維底片上發出的全息投影。

即使拿通常的理論物理學標準來衡量,這種「全息理論」也相當奇怪,但範拉莫斯東克是少數前衛的研究人員之一,他們認為通常的理論尚不夠奇怪。無論是現代物理學的兩大支柱——廣義相對論和量子力學(廣義相對論把萬有引力作為一種時空彎曲,而量子力學是原子領域的統治法則),還是描述基本一維能量線的弦理論,都沒有對時空本身的存在給出任何解釋。如果沒有其他的,這種「全息理論」也不失為一種解釋。

範拉姆斯東克和他的同事們認為,物理學如不能解釋時空是如何以及從哪裡產生的,它的任務就不算完成。時空可能從某種更基本的東西產生,這種東西尚未命名,至少需要構造一個像「全息」那樣大膽的概念。他們認為,這種從根本上對現實的重新定義,是解釋黑洞核心那個無限緻密的「奇點」怎樣扭曲了時空構造的唯一方式,這超越了所有的認知。或者說,研究人員怎樣才能把原子尺度的量子理論和行星尺度的廣義相對論統一起來,有一個東西長期阻礙了理論學家的構建工作。

「所有的經驗都告訴我們,我們對現實不該有兩種顯著不同的構想,它必然是一個龐大的包含所有的理論。」美國賓夕法尼亞大學物理學家阿貝·阿什特卡說。

找到一個龐大的理論是一項艱鉅挑戰。為此,《自然》雜誌探索了現代幾種較有前途的前進路線——一些新興的觀點以及對它們的檢驗。

熱力學萬有引力

人們可能會問的一個最明顯的問題是,這種努力是否徒勞?是否真的有某種東西比時空更基本?證據何在?一個令人興奮的線索來自上個世紀70年代早期取得的一系列不尋常的發現。當時,量子力學和萬有引力與熱動力學開始緊密結合在一起,這一趨勢日益明顯。

1974年,英國劍橋大學的斯蒂芬·霍金證明,黑洞周圍空間存在著量子效應,這使得黑洞向外發出輻射,就好像它很熱一樣。其他物理學家也很快得出結論,這種現像在宇宙中其實相當普遍。即使在真空裡,正在加速的宇航員會感到他自己像是被包圍在熱水浴中。雖然對目前火箭可達到的加速而言,這種效應太微弱了而無法被覺察到,但這或許是個基本原理。如果量子理論和廣義相對論是正確的——這二者都已被眾多實驗所證實——那霍金輻射的存在似乎是理所當然。

第二個重要發現也與此密切相關。根據標準熱力學理論,一個物體要輻射出熱量必須降低熵值,這也是檢測其內部量子狀態的一種數量方法。所以黑洞也是如此:甚至早在霍金1974年發表其論文之前,現在以色列耶路撒冷希伯來大學任職的雅各布·貝肯斯坦就曾證明了黑洞擁有熵值。但二者之間還是有差異的。對於大部分物體來說,它們的熵與物體所含原子數目成比例,也就是和體積成比例;但黑洞的熵卻與其事件視界的表面積成比例。事件視界是光無法逃逸的界限,這就好像黑洞的表面是其內部信息的某種編碼,正像以二維全息編碼的形式來表現三維圖像那樣。

1995年,美國馬里蘭大學物理學家泰德·雅各布森將二者的發現結合起來提出一種假設:空間中的每個點上都有一個微小的「黑洞視界」,並服從熵與面積關係。結果他發現,這樣在數學上就變成了愛因斯坦的廣義相對論方程——只用了熱力學概念,而沒有用時空彎曲理論。

「這好像涉及到了某種深入萬有引力起源的東西。」雅各布森說。尤其是,熱力學定律的本質是一種統計表現,即大量原子和分子運動在宏觀上的平均,所以該計算結果也意味著,萬有引力也是統計上的表現,是對時空的某種看不見的成分的一種宏觀近似。

2010年,荷蘭阿姆斯特丹大學的弦理論學家埃里克·韋林德證明了時空成分的統計熱力學——無論它們最終是什麼,都會自動產生牛頓的萬有引力定律。

而在另一項獨立研究中,印度浦那校際中心天文與天體物理學中心的宇宙學家薩努·帕德曼納班指出,愛因斯坦方程可以改寫成另一種等同於熱力學定律的形式——就像萬有引力的許多其他替換理論一樣。帕德曼納班最近正在擴展熱力學方法,試圖以此解釋暗能量的起源及其在宇宙中的量級。暗能量是推動宇宙加速膨脹的一種神秘力量。

要想用實驗來驗證這些想法是非常困難的。就好像水看起來是光滑完美的流體,但如果用顯微鏡深入觀察到能看見水分子的程度,也就是不到1納米,情況就會完全不同。據此人們估計,時空雖然看起來是連續的,但如果小到普朗克級別,大致是10的負35次方米,比一個質子還小約20個數量級,情況也可能完全不同。

但這並非不可能。人們經常提到一種方法可以檢驗時空的結構是否為離散的,就是尋找高能光子延遲。在遙遠的宇宙角落,由某個宇宙事件(比如超新星爆發)拋射出大量γ射線,這些高能光子到達地球可能會產生時間上的延遲。事實上,這些波長最短的光子能感覺到它們所穿越的太空旅途是由某種微小的、崎嶇不平的成分構成,正是這種崎嶇不平略微延緩了它們的行程。

今年4月,義大利羅馬大學量子—引力研究員喬瓦尼·阿麥利諾-卡梅利亞和同事在一次γ射線爆發記錄中,發現了這種光子延遲的線索。阿麥利諾-卡梅利亞說,這些結果還不是最後定論,他們打算進一步擴展研究,觀察宇宙事件中產生的高能中微子的旅行時間。他說,如果這些理論無法被檢驗,「那麼對於我來說,它們就不是科學,而是宗教信仰,我對此並無興趣。」

其他物理學家也在尋求實驗的證明。比如在2012年,奧地利維也納大學和英國倫敦帝國學院的科學家提出了一項「桌面實驗」,實驗中用到一種能在激光驅動下來回運動的顯微鏡。他們認為,當光從鏡面反射時,普朗克尺度的時空間隔會產生能探測得到的變化。

圈量子引力

即使這種理論是正確的,從熱力學的角度來看,時空的基本構成也可能什麼都不是。姑且這麼說,如果時空由某種東西編織而成的,那織造它的「線」又是什麼?

目前一個還算實際的答案就是圈量子引力(loop quantum gravity)理論。該理論是上世紀80年代中期由阿什特卡等人發展而來,將時空構造描述為就像一張展開的蜘蛛網,網線上攜帶著它們所通過區域的量子化的面積和體積信息。每根網線的末端最終一定會連在一起而形成圈狀——正如該理論的名字——但這與更著名的弦理論的「弦」沒什麼關係。弦理論的「弦」在時空中來回運動,而圈量子引力的「網線」則構成了時空本身:它們攜帶的信息定義了周圍時空構造的形狀。

由於這種圈是量子的,所以該理論也定義了一個最小面積單位,非常類似於在普通量子力學中,對氫原子一個電子的最小基本能量態的定義。這種面積量子是大約一個普朗克單位那麼大的一個面。要想再插入一根面積更小的「線」,它就會跟其餘的「網線」斷開。它不能與任何其他東西連接,只好從時空中退出。

定義了最小面積帶來了一個令人欣慰的結果,就是圈量子引力不能被無限擠壓到一個無限小的點。這意味著在大爆炸瞬間以及在黑洞中心,它不會產生那種打破愛因斯坦廣義相對論方程的奇點。

2006年,阿什特卡和同事報告他們利用這一優勢進行了一系列模擬,他們用愛因斯坦方程的圈量子引力版本反演了時鐘倒轉,以可視化形式展示了大爆炸之前發生了什麼:宇宙如預期那樣反向演化,回溯到大爆炸時。但在它接近由圈量子引力決定的基本大小極限時,一股斥力進入奇點迫使其打開,成為一個隧道,通向另一個先於我們宇宙之前而存在的宇宙。

今年,烏拉圭大學物理學家魯道夫·甘比尼和美國路易斯安那大學的喬奇·普林也報告了相似的黑洞模擬。他們發現,當一個觀察者深入到黑洞核心時,遭遇到的不是奇點,而是一條狹窄的時空隧道,通向空間的另一部分。

「排除了奇點問題是一項重大成就。」阿什特卡說,他正和其他研究人員一起辨認那些留在宇宙微波背景上的特徵標誌。宇宙微波背景是宇宙在嬰兒時期迅速膨脹殘留的輻射。那些標誌則可能是由一次反彈留下來的,而不是爆炸。

圈量子引力論還不是一個圓滿統一的理論,因為它沒有包括任何其他的力,而且物理學家們也還沒能說明,正常時空是怎樣從這種信息網中出現的。對此,德國馬克思·普朗克萬有引力物理學研究所的丹尼爾·奧利提希望在凝聚體物理學中尋找靈感。他在物質的過渡階段生成了一種奇異相態,這種相態可以用量子場論來描述。宇宙可能也經過類似的變化階段,奧利提和同事正在尋找公式來描述這一過程:宇宙怎樣從一系列離散的圈過渡到光滑而連續的時空。「我們的研究還處在初期階段,還很困難。我們就像是魚,游在難以理解的時間之流的最上游。」奧利提說。探索的艱難使一些研究人員轉而追求另一種更抽象的過程,由此提出了著名的因果集合論(causal set theory)。

因果集合論

因果集合論由加拿大周界研究所物理學家拉斐爾·索爾金創立。該理論提出,構成時空的「基本之磚」是簡單的數學上的點,各點之間由關係(links)連接,每個關係指示著從過去到未來。這種關係是因果性表現的本質,意味著前一個點會影響後一個點,但反過來不行。最終的因果網就像一棵不斷生長的樹,逐漸形成了時空。「你可以想像為,時空是由於這些點而出現的,就像溫度是由於原子而出現的那樣。」索爾金說,「但要問‘一個原子的溫度是多少?’是沒有意義的,要有一個整體的概念才有意義。」

上世紀80年代末時,索爾金用這一框架估算了可見宇宙可能包含的點的數量,推導出它們應該能產生一種小的內在能量,從而推動宇宙加速膨脹。幾年後,人們發現宇宙中存在一種暗能量,證實了他的猜想。「通常人們認為,從量子引力做出的預測是不可檢驗的,但這種情況卻可以。」倫敦帝國學院量子引力研究員喬·漢森說,「如果暗能量的值更大,或是零,因果集合論就成為不可能。」

雖然很難找到支持證據,因果集合論還是提供了其他一些可檢驗的預測,一些物理學家利用計算機模擬得到了更多結果。其中一種理論觀點可追溯到上世紀90年代初,大致上認為,普通時空由某種未知的基本成分構成,這些成分是微小的塊體,淹沒在混亂的量子漲落的海洋中,隨後這些時空塊自發地粘合在一起而形成更大的結構。

最早的研究是較令人失望的,荷蘭內梅亨大學物理學家雷內特·羅爾說。時空的「基本之磚」是一種簡單的超級金字塔,即三維四面體的四維形式。通過模擬的粘合規則讓它們自由結合,結果就成了一系列奇幻的「宇宙」,有的有太多維度而有的太少,它們自己會折疊起來或破成碎片。「就像是一場自由混戰,任何東西無法恢復原狀,類似於我們周圍所看到的一切。」羅爾說。

但是,像索爾金、羅爾他們的發現增加了改變一切的因果性。畢竟時間維度與三維的空間維度不同,羅爾說,「我們不能在時間中來回旅行。」所以她的研究小組對模擬做了改變,以保證後果不會跑到原因的前面。然後他們發現,時空小塊開始持續地自行組裝,成為光滑的四維宇宙,其性質正和我們所在的宇宙類似。

有趣的是,這一模擬還暗示了在大爆炸之後不久,宇宙在嬰兒期時只有二個維度:一維空間和一維時間。還有其他嘗試推導量子引力方程的實驗也得到了同樣預測,甚至還有人提出,暗能量的出現是我們的宇宙正在發展出第四空間維度的一個信號。其他人還證明了,在宇宙早期的二維階段可能形成一些花紋,類似於我們在宇宙微波背景上所看到的那樣。

全息論

與此同時,範拉姆斯東克在全息理論的基礎上,對時空的產生提出了另一種完全不同的設想。黑洞以一種類似全息的方式在其表面存儲了所有的熵,美國普林斯頓高級研究院的弦理論學家胡安·默爾德希納最早給這一理論構建了一個明確的數學公式,並在1998年發表了他的全息宇宙模型。在該模型中,三維的宇宙內部包含了弦和黑洞,只受萬有引力控制,而它的二維邊界包含了基本粒子和場,服從普通量子法則而無需萬有引力。

此假說中的三維空間的居民,永遠也看不到這個二維界限,因為它在無限遙遠的地方。但這不會影響其數學存在:發生在三維宇宙中的任何事情,都可以通過二維邊界的方程相等地描述出來,反之亦然。

2010年,範拉姆斯東克研究了當邊界上的量子粒子發生「糾纏」時,會發生什麼情況。測量其中一個不可避免地會影響另一個。他發現,如果邊界上兩個不同區域的每個粒子糾纏持續地降低到零,那麼二者之間的量子相關就會消失,相應地三維空間開始逐漸自身份裂,就像一個細胞的分裂,直到最後,這兩者之間的細微連接會突然斷裂。在二維邊界保持連接時這一過程不斷重複,使三維空間一次次地反覆分裂下去。所以,範拉姆斯東克推測說,在實際效果上,三維宇宙是由邊界上的量子糾纏而保持結合在一起的,從某種意義上說,量子糾纏和時空是同一回事。也或許,像默爾德希納說的那樣:「這表明量子是最基本的,時空是從它而產生。」


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