來源：scientificamerican
撰文：Adam Becker
翻譯：任天
時空可能來自一個更基本的現實。只有弄清楚時空如何出現，才能解開物理學中最緊迫的難題——量子引力理論。
娜塔莉·帕奎特是美國華盛頓大學的理論物理學家，她一直在思考一個問題：如何增加一個額外的維度。從分散在空間和時間每一個點上的小圓圈開始，這些圓圈可以視為一個繞回自身的旋曲形維度；然後，把這些圓圈縮小，越來越小，越來越緊，直到發生一場奇怪的轉變：這個維度不再看起來很小，而是變得巨大，就如你發現某個看起來很小且很近的東西，實際上不僅巨大而且遙遠。「我們正在使一個空間方向縮小，」怕奎特說，「但當我們試圖把它縮小到某個特定的點時，一個新的、大的空間方向就出現了。」
帕奎特並不是唯一思考這種奇怪維度嬗變的人。在物理學的不同領域，越來越多的物理學家儘管研究方法不同，但都逐漸認同一個深刻的想法：空間，甚至時間，都不是基本的事物。相反，空間和時間可能是從更基本的自然組分的結構和行為中「湧現」出來的。在現實的最深處，諸如「何處？」「何時？」這樣的問題可能根本就沒有答案。我們從物理學中得到了很多暗示，我們所理解的時空並不是基本的事物。
這些激進的觀點來自於量子引力理論研究的最新進展。一個多世紀以來，物理學家們一直在尋找最佳的量子引力理論。目前最具有說服力的引力理論是廣義相對論，由阿爾伯特·愛因斯坦提出，闡述了物質如何扭曲空間和時間。另一種解釋萬物的理論是量子物理學，當涉及到物質、能量和亞原子粒子的性質時，量子物理學驚人地精確。這兩種理論都輕鬆通過了物理學家們在上個世紀所能設計的所有測試。有人可能會想，把二者放在一起，就能獲得所謂的「萬有理論」。
然而，這兩種理論並不相容。如果你想知道在量子力學的背景下應用廣義相對論會發生什麼，就會得到矛盾的答案，你的計算中會出現難以駕馭的無窮數。大自然知道如何將引力應用於量子環境中，包括大爆炸的最初時刻，也包括黑洞的中心，但我們仍在努力理解這一過程是如何實現的。部分問題在於這兩種理論處理空間和時間的方式，量子力學認為空間和時間是不可變的，而廣義相對論則將它們隨意扭曲。
某種程度上，量子引力理論需要調和這些關於空間和時間的不同觀點。要做到這一點，一種方法是讓空間和時間從更基本的事物中產生，從源頭——時空本身——上解決這個問題。近年來，幾個不同方向的研究都表明，在現實的最深層，空間和時間並不以我們日常世界中的方式存在。過去十年中，這些觀點從根本上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一些更奇特事物的原理，比如蟲洞——相距遙遠的時空點之間如隧道般的假想連接。這些成功使取得更大突破的希望繼續存在。如果時空是湧現的，那麼弄清楚它從何而來——以及它如何從其他任何事物中產生——或許就能為我們最終打開萬有理論的大門。
弦理論中的世界
如今，弦理論是最受物理學家們歡迎的量子引力候選理論。根據該理論，弦是物質和能量的基本組成部分，產生了可以在粒子加速器中看到的無數基本亞原子粒子。弦甚至與引力的產生有關，該理論的必然結果之一，就是一種承載引力的假想粒子，稱為「引力子」。
然而，弦理論很難理解，更多是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。該理論的大部分架構仍未建立，更多的探索仍在計劃中，研究者還需要填補很多空白。這個新領域所依賴的主要技巧是數學對偶，即一種系統和另一種系統之間的對應關係。
我們可以用開頭提到的小維度和大維度之間的對偶作為例子。試著把一個維度塞進一個小空間，弦理論會告訴你，你最終將得到一個數學上完全相同，該維度卻十分巨大的世界。根據弦理論，這兩種情況是一樣的——你可以在一種情況與另一種情況之間自由地來回切換，並通過使用某些技巧，從一種情況來理解另一種情況是如何運作的。「如果你仔細跟蹤這個理論的基本構建模塊，」怕奎特說，「有時候你會很自然地發現……你可能獲得了一個新的空間維度。」
在許多弦理論學家看來，類似的對偶關係表明空間本身是湧現的。這個想法始於1997年，當時普林斯頓高級研究院的物理學家胡安·馬爾達西那發現了一種量子理論（共形場論，簡稱CFT）與廣義相對論中一種特殊時空（反德西特空間，簡稱AdS）之間的對偶關係，即AdS/CFT對偶。二者似乎是截然不同的理論——CFT完全沒有引力，而AdS則包含了廣義相對論所有的引力效應。然而，這兩個世界可以用同樣的數學進行描述。AdS/CFT對偶的發現為量子理論與包含引力的整個宇宙之間提供了一種具體的數學聯繫。
奇怪的是，AdS/CFT對偶中的空間AdS比量子場CFT多了一個維度。但物理學家們很喜歡這種不匹配，因為它可以作為幾年前提出的另一種對偶關係的特例。這種對偶關係是荷蘭烏得勒支大學的物理學家傑拉德·特·胡夫特和美國史丹福大學的倫納德·薩斯坎德提出的，稱為全息原理（holographic principle）。基於黑洞的一些特殊特徵，特·胡夫特與薩斯坎德推測，一個空間區域的性質可能完全「編碼」在其邊界上。換句話說，一個黑洞的二維表面將包含所有描述其內部三維結構的信息——就像一個全息圖。「我想很多人都覺得我們瘋了，」薩斯坎德說，「認為這兩個優秀的物理學家變壞了。」
類似地，在AdS/CFT對偶中，四維CFT對與其相關的五維AdS空間的所有內容進行編碼。在這個系統中，整個時空區域是由共形場論中量子系統各組分之間的相互作用建立起來的。這一過程可以比作閱讀小說：「如果你在書中講述一個故事，書中的人物就會有所作為，但書上只有一行文字，對吧？從這行文字中可以推斷出這些人物正在做什麼。書中的人物就像AdS，而這一行文字就是CFT。」
那麼，AdS的空間來自哪裡呢？如果這個空間是湧現的，那麼它是從哪裡冒出來的呢？答案是CFT中一種特殊而奇怪的量子相互作用：糾纏。這是一種純粹發生於量子系統的現象，兩個遠距離粒子的行為會以統計上不可能的方式被瞬間關聯起來。眾所周知，量子糾纏問題一直困擾著愛因斯坦，他稱其為「鬼魅般的超距作用」。
我們熟悉的平滑時空來自於時空中微小「顆粒」的集體行為；就像沙丘一樣，這些厚實的晶體狀顆粒仍然是沙子，但它們看起來或表現出來的行為都不像起伏的沙丘。
我們會知道空間和時間的真正本質嗎？
不過，儘管如同鬼魅，但量子糾纏依然是量子物理學的核心研究領域。在量子力學中，當任何兩個物體相互作用時，它們通常就會糾纏在一起，而且只要它們隔絕於世界的其他事物，它們就會一直糾纏——不管之間的距離有多遠。在實驗中，物理學家已經在相距1000公里以上的粒子之間，甚至在地面粒子與軌道衛星上的粒子之間觀察到了量子糾纏現象。理論上，兩個糾纏的粒子可以在星系或宇宙的兩端維持它們的關聯。距離對於糾纏而言似乎並不重要，而這正是困擾了許多物理學家幾十年的難題。
但如果空間是湧現的，那麼糾纏在遠距離持續存在的能力可能就不那麼神秘了——畢竟，距離是一種空間結構。對AdS/CFT對偶的研究顯示，最初正是由糾纏在AdS空間中產生了距離。在這一對偶關係的AdS側，空間中任意兩個鄰近區域對應於CFT中兩個高度糾纏的量子組分，它們越糾纏在一起，空間區域就越緊密。
近年來，物理學家開始猜測，這種關係可能也適用於我們的宇宙。「是什麼將空間維繫在一起，並防止它分裂成不同的子區域？答案就在於空間兩個部分之間的糾纏，」薩斯坎德說，「空間的連續性和聯結性歸功於量子力學的糾纏。」因此，糾纏可能會鞏固空間本身的結構，形成世界幾何形狀的經線和緯線。「如果你能以某種方式破壞（空間）兩個部分之間的糾纏，空間就會分崩離析，」薩斯坎德說，「這將是與湧現相反的過程，即反湧現。」
如果空間是由相互糾纏的部分構成的，那麼量子引力之謎似乎就更容易解決了：與其試圖用量子的方式解釋空間的扭曲，不如說空間本身就是從基本的量子現象中產生的。薩斯坎德懷疑這就是一開始很難建立量子引力理論的原因。「我認為（量子引力理論）從未成功的原因是，它從兩種不同的東西——廣義相對論和量子力學——開始，然後把它們放在一起，」他說，「我認為問題的關鍵在於，它們的關係太密切了，不可能分開再重新組合。沒有量子力學，就沒有引力這回事。」
然而，空間的湧現只是問題的一半。由於空間和時間在相對論中如此緊密地聯繫在一起，任何關於空間如何出現的解釋都必須同時解釋時間。「時間也必須以某種方式出現，」加拿大不列顛哥倫比亞大學的物理學家、從事量子糾纏與時空關係研究的馬克·范·拉姆斯東克說，「但我們還沒有很好地理解這一過程。這是一個相當活躍的研究領域。」
范·拉姆斯東克表示，另一個活躍的研究領域是利用時空湧現模型來理解蟲洞。此前，許多物理學家認為，即使在理論上，將物體送入蟲洞也是不可能的。但在過去幾年中，研究AdS/CFT對偶和類似模型的物理學家發現了構建蟲洞的新方法。「我們不知道能否在我們的宇宙中做到這一點，」范·拉姆斯東克說，「但我們現在知道的是，構建某些類型的蟲洞在理論上是可能的。」兩篇分別發表於2016年和2018年的論文引發了該領域的研究熱潮。然而，即使可以穿越的蟲洞能夠建立起來，它們在太空旅行中也不會有多大用處。正如薩斯坎德指出的那樣，「你不可能以比光更快的速度穿過蟲洞」。
思考的空間
如果弦理論是正確的，那麼空間就建立在量子糾纏的基礎上，時間可能也是。但這到底意味著什麼呢？空間如何由物體之間的糾纏「構成」？這些物體本身難道不就在某個地方嗎？如果不經歷時間和變化，這些物體是如何糾纏在一起的？如果沒有存在於真實的空間和時間中，事物本身又會是什麼樣的存在呢？
這些問題都已經接近哲學層面，但事實上，物理學家們正在認真對待這些問題。時空怎麼可能是一種突然出現的東西？這種說法在直覺上似乎是不可能的。不過，我們的直覺有時很糟糕，這些直覺在非洲大草原上進化而來，與宏觀的物體、流體以及動物有關，往往不能轉移到量子力學的世界。當談到量子引力時，「東西存在於哪裡？」和「它在哪裡生活？」都不是適當的問題。
在日常生活中，物體確實會存在於不同的地方。但正如許多研究者指出的那樣，這並不意味著空間和時間必須是基本的，而是說它們必須從某些基本的事物中顯現出來。以液體為例，說到底，它是由基本粒子，比如電子、質子和中子，或者更基本的夸克和輕子構成的。夸克和輕子有液體特性嗎？這根本說不通，對吧？然而，當這些基本粒子聚集在一起，數量足夠多時，就會表現出某種行為，集體性的行為，整體上它們就會表現得像液體一樣。
空間和時間可以在弦理論和其他量子引力理論中以同樣的方式運作。具體來說，時空可能來自我們通常認為存在於宇宙中的事物，即物質和能量本身。並不是說先有了空間和時間，然後再加入一些物質，相反，物質可能是空間和時間存在的必要條件。這仍然是一種非常緊密的聯繫，但可能與我們最初的想法相反。
或許還有其他的方法來解釋這些最新發現。AdS/CFT對偶常常被視為時空如何從量子系統中產生的一個例子，但這可能並不是其真正的含義。AdS/CFT對偶為我們提供了時空事實與量子理論事實之間的翻譯手冊，這與時空湧現的說法是一致的，一些量子系統是基礎。但反過來也一樣。這種對偶關係可能意味著量子系統是湧現的，而時空是基礎——或者二者都不是基礎，而是存在一些更深層的基本事物。湧現是一個很有說服力的觀點，但至少從AdS/CFT對偶來看，還沒有看到一個支持時空湧現的明確論據。
在弦理論中，時空的湧現還面臨一個更大的挑戰，與AdS/CFT對偶本身有關。我們並不是生活在反德西特的空間裡，我們生活在一個更接近德西特空間的宇宙中。德西特空間描述了一個與我們所處宇宙相似的，正在加速膨脹的宇宙。我們對全息理論在這個宇宙中如何應用還沒有一個最模糊的概念。如何在一個更接近真實宇宙的空間中建立這種對偶關係，是弦理論學家最緊迫的問題之一。
最後，最新的粒子加速器還沒有發現超對稱性所預測的額外粒子的任何證據，而弦理論所依賴的正是超對稱性。超對稱性表明，所有已知粒子都有其「超對稱粒子」，這使得基本粒子的數量翻了一倍。但歐洲核子研究中心（CERN）位於日內瓦附近的大型強子對撞機卻沒有發現這些粒子的跡象。該對撞機的設計目的部分就是為了尋找超對稱粒子。我們擁有的所有真正精確的時空湧現版本都在超對稱理論中，一旦沒有了超對稱性，用數學方法計算方程的能力就會從你的手中消失。
時空的「原子」
弦理論並不是唯一認同時空湧現的理論。弦理論「未能實現它作為一種結合引力和量子力學的方法的承諾，弦理論現在的優勢在於，它提供了一套極其豐富的工具，這些工具已被廣泛應用於整個物理領域。阿希提卡是弦理論最受歡迎的替代理論——圈量子引力理論的最初先驅之一。在圈量子引力理論中，空間和時間不像廣義相對論中那樣平滑和連續——相反，它們是由離散的組分構成的，即阿希提卡所說的「時空的塊或原子」。
這些時空的原子在一個網絡中相互關聯，由一維和二維平面將它們連接在一起，形成圈量子引力理論研究者所謂的「自旋泡沫」。儘管這種泡沫被限制在二維空間，它卻產生了我們的四維世界，有三維空間加上一維時間。你可以將其比作一件衣服。以你的襯衫為例，它看起來就像一個二維平面，但如果你拿一個放大鏡來看，就會立即發現它都是一維的絲線。只不過這些線是如此密集，使你可以將襯衫想像成一個二維表面。因此，類似地，我們周圍的空間看起來就像一個三維連續體，但實際上這些（時空的原子）是縱橫交錯的。
雖然弦理論和環圈量子引力理論都認為時空是湧現的，但這兩種理論所描述的湧現方式並不相同。弦理論認為，時空（至少是空間）是由一個看似不相關的系統以糾纏的形式湧現的，就好像單個司機的群體性決策會導致交通堵塞的出現。汽車不是由交通堵塞構成的，是汽車造成了交通堵塞。另一方面，在圈量子引力理論中，時空的湧現更像是一座有坡度的沙丘，由風中的沙粒集體運動而形成。我們熟悉的平滑時空來自於時空中微小「顆粒」的集體行為；就像沙丘一樣，這些厚實的晶體狀顆粒仍然是沙子，但它們看起來或表現出來的行為都不像起伏的沙丘。
儘管存在這些差異，但圈量子引力理論和弦理論都認為時空是從某種潛在的現實中產生的。它們也不是唯二指向這一方向的量子引力理論。因果集理論是另一個關於量子引力的候選理論。該理論假設空間和時間也由更基本的成分組成。令人震驚的是，對於已有的大多數貌似合理的量子引力理論而言，在某種意義上，它們傳遞的信息是：沒錯，廣義相對論時空在基本層面上並不存在，當不同的量子引力理論至少在某些方面達成一致時，會非常令人激動。
空間的時間邊界
在某種程度上，現代物理學是其自身成功的受害者。由於量子力學和廣義相對論在描述各自現象時都如此準確，使得我們只需要用量子引力來描述最極端的情況——將巨大的質量塞進深不可測的微小空間。在自然界中，這樣的情況只存在於少數幾個地方，比如黑洞的中心。值得一提的是，在物理實驗室中，即使是規模最大、最先進的實驗室也創造不出這樣的條件。這需要一個和星系一樣大的粒子加速器，用來直接測試在量子引力支配條件下的自然行為。科學家們為尋找量子引力理論耗費了大量時間，最主要的原因便是缺乏直接的實驗數據。
面對證據的缺乏，大多數物理學家都把希望寄托在天空上。在宇宙大爆炸的最初時刻，整個宇宙無比微小和密集——這種情況就需要用量子引力來描述。大爆炸的「回聲」可能還殘留在如今的天空中。驗證量子引力最好的辦法是通過宇宙學，也許在宇宙學中，我們現在認為不可預測的東西，也許在我們理解了完整的理論，或者了解到一些我們從未想過的新事物之後，就能夠預測到了。
不過，在實驗室中驗證弦理論或許也會成為可能，至少是間接驗證。科學家們希望在研究AdS/CFT對偶時，不是通過探測宇宙時空，而是通過建立高度糾纏的原子系統，並觀察它們的行為是否與時空和引力類似。這樣的實驗可能「展示出一些引力的特徵，但可能不是全部的特徵。這也取決於你怎麼定義所謂的「引力」。
我們會知道空間和時間的真正本質嗎？在短時間內，我們可能還無法獲得來自天空的觀測數據。在實驗室中，對時空本質的驗證實驗可能會失敗。熟悉哲學的都知道，有關空間和時間真實性質的問題確實非常古老。一切的存在「現在都是一體的、連續的，」2500年前的古希臘哲學家巴門尼德曾說，「整個都在現在。」巴門尼德堅持認為時間和變化都是幻覺，任何地方的一切都是統一和相同的。他的學生芝諾還提出了一些著名的悖論，以支持他的觀點，聲稱任何距離的運動都是不真實的，唯一真實的東西是巴門尼德所謂的「唯一不動的存在」。他們的工作提出了時間和空間是否虛幻的問題，而這個問題背後令人不安的暗示已經困擾了西方哲學兩千多年。
事實上，古希臘人所提出的這些問題，什麼是空間？時間是什麼？什麼是變化？今天我們仍然會問，只不過是不同的版本，這表明它們本來就是值得思考的問題，正是通過思考這類問題，我們學到了許多關於物理學的新知識。