參考訊息網2月19日報道時空究竟是由什麼構成的？《科學美國人》月刊網站1月30日發表作者亞當·貝克爾的文章稱，物理學提供的諸多暗示表明，我們認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展出一個額外的維度。先從分散在時空中每個點上的小圓圈開始——這是一種朝自身環繞回來的捲曲的維度。然後把這些圓圈縮小，促使環路收緊，直到出現一種奇特的變化：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、很近的東西實際上是巨大、遙遠的。
基本存在？
身為美國華盛頓大學的理論物理學家，帕克特並不是唯一思考這種奇怪的維度變化問題的人。越來越多的物理學家——儘管以不同方法在物理學的不同領域工作——正日益就一種深刻的思想達成共識。這種思想就是，空間——甚至時間——不是基本的存在。相反，空間和時間可能是一種突現的特徵：它們可能源自大自然更基本組成部分的結構和行為。在現實的最深層面，諸如“何地？”“何時？”這類問題或許根本就沒有答案。
帕克特說：“物理學提供的諸多暗示表明，我們認識的時空不是基本的東西。”
這些激進的觀點來自持續一個世紀的量子引力理論探索過程中的最新意外進展。
物理學家掌握的最佳引力理論是廣義相對論，即愛因斯坦關於物質如何扭曲時空的著名理論。物理學家掌握的有關其他一切事物的最佳理論是量子物理學。在涉及物質、能量和亞原子粒子的特性時，量子物理學驚人地準確。這兩種理論都輕而易舉地通過了物理學家在過去一個世紀裡設計出來的所有測試。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，這兩種理論不太相容。如果向廣義相對論尋求以下問題的答案——在量子物理學的背景下會發生什麼，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用引力——這種情況發生在大爆炸的最初階段，到現在仍在黑洞的中心發生，但我們人類依然難以理解這個戲法是如何完成的。部分問題在於這兩種理論處理時間和空間的方式。量子物理學認為空間和時間永恆不變，廣義相對論則輕易讓時空發生扭曲。
量子引力理論需要調和這些有關空間和時間的觀點。實現這一目標的一個辦法是，在其源頭——時空本身——消除有關問題，方式是讓時空產生於某種更基本的東西。近年來，若干不同的研究路線都顯示，在現實的最深層面，時間和空間的存在方式不同於它們在我們日常生活中的存在方式。在過去10年裡，這些思想徹底改變了物理學家對黑洞的看法。現在，研究人員正利用這些概念來闡明某種更奇異的東西的運作方式。這種東西就是蟲洞——連線時空中相距很遠的點的假想隧道。這方面的成功維繫了取得更深層次突破的希望。如果時空是突現的，那麼弄清楚其來自哪裡——以及如何能夠從其他任何東西中產生——可能就是那把丟失的鑰匙，它最終將開啟通往“萬物理論”的大門。
今天，物理學家中最流行的候選量子引力理論是弦理論。該理論認為，弦是物質和能量的基本組成部分，它們產生了在世界各地的粒子加速器中可以看到的無數基本亞原子粒子。它們甚至是引力誕生的源頭。
但弦理論很難理解——它存在於物理學家和數學家花了幾十年時間探索的數學領域。該理論的大部分結構尚屬未知，“探險”活動仍處於計劃階段，“地圖”仍待繪製。在這個新領域中，主要“導航”技術是透過數學對偶性——一種系統和另一種系統之間的對應關係——實現的。
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一個小空間，然後弦理論會告訴你，你最終得到的東西在數學上與一個擁有巨大維度的世界完全相同。根據弦理論，這兩種情況是一樣的——你可以在兩種情況之間自由往返，並用一種情況下的技術去理解另一種情況是如何運作的。
量子糾纏？
在許多弦理論家看來，一個類似的對偶現象意味著，空間本身是一種突現的特徵。這一思想誕生於1997年，當時美國普林斯頓高等研究院的物理學家胡安·馬爾達塞納發現，在一種為人熟知的量子理論與一種特殊型別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），而這種特殊型別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，可以用同樣的數學理論來描述這兩個世界。這一情況被人發現後，AdS和CFT的對應關係在量子理論和包含引力的整個宇宙之間建立了明確的數學聯絡。
奇怪的是，在AdS與CFT的對應關係中，AdS比CFT多了一個維度。但物理學家喜歡這種不匹配，因為它是那之前幾年荷蘭烏得勒支大學物理學家赫拉德·特霍夫特和美國斯坦福大學物理學家萊昂納德·薩斯坎德設想的另一種對應方式的一個例子。這種對應方式名為“全息原理”。基於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瞭解其三維內部所需的所有資訊——就像一幅全息圖。
類似地，在AdS和CFT的對應關係中，四維的CFT給與五維AdS有關的所有東西都編了碼。馬爾達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。但讀者只會看到文字，對吧？這些角色做了什麼是讀者從文字中推斷出來的。書中的角色就像大部頭的（AdS）理論。而文字就是（CFT）。”
但在AdS中，空間來自哪裡？如果這個空間是一種突現的特徵，它又來自何處？答案在於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距離聯絡。它會以非常奇異的方式瞬時把物體的行為關聯起來。眾所周知，糾纏問題曾困擾愛因斯坦，他稱之為“幽靈般的遠距作用”。
儘管很奇怪，糾纏卻是量子物理學的一個核心特徵。當兩個物體在量子力學中發生相互作用時，它們通常會發生糾纏，並且它們會保持糾纏狀態，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。在一些實驗中，物理學家們讓相距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星上的其他粒子保持糾纏。
原則上，兩個分別位於銀河系或宇宙兩側的相互糾纏的粒子可以維持它們的聯絡。對於糾纏來說，距離似乎不成問題。幾十年來，這個難題困擾著許多物理學家。
但是，如果空間是突現的，那麼糾纏現象能夠跨越遙遠距離持續存在或許就不會神秘得可怕了——畢竟，距離是一種結構。
一些物理學家對AdS與CFT對應關係所做的研究顯示，糾纏是AdS中最初產生距離的原因。在AdS這一側，任何兩個鄰近的空間區域都對應著CFT的兩個高度糾纏的量子組成部分。它們的糾纏程度越高，上述空間區域就靠得越近。
穿越蟲洞？
近年來，物理學家開始懷疑，這種關係可能也適用於我們的宇宙。
薩斯坎德說：“是什麼讓空間結合在一起並防止它分裂為不同的次級區域呢？答案在於空間的兩個部分之間的糾纏。空間具備連續性和連通性要歸功於量子力學糾纏。”因此，糾纏可能鞏固了空間自身的結構。它形成經緯線，進而產生世界的幾何結構。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果，那麼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，因為空間本身基本上就是從量子現象中產生的。薩斯坎德懷疑，這就是科學家很難發現量子引力理論的原因所在。他說：“我認為，這項工作不順利的原因在於，它從兩種不同的東西——廣義相對論和量子力學——出發，要把它們結合到一起。我認為問題的關鍵在於，它們的關係太密切了，不可能分開後再重新組合。沒有量子力學就沒有引力這回事。”
然而，解釋空間突現的原因只是工作的一半。由於在相對論中空間和時間是如此緊密地聯絡在一起，任何解釋空間如何突現的說法都必須也對時間加以解釋。馬克·範拉姆斯東克是加拿大不列顛哥倫比亞大學的物理學家，也是研究糾纏與時空之間聯絡的先驅。他說：“時間必然也是以某種方式突現的。但這一點還沒有得到很好的理解。這是一個活躍的研究領域。”
他說，另一個活躍的領域是利用時空突現模型來理解蟲洞。許多物理學家早前認為，即使在理論上，讓物體透過蟲洞都是不可能的。但在過去幾年中，研究AdS與CFT對應關係和類似模型的物理學家發現了構建蟲洞的新方法。範拉姆斯東克說：“我們不知道是否能在我們的宇宙中做到這一點。但我們現在知道的是，某些型別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：參考訊息網
