来源：scientificamerican
撰文：Adam Becker
翻译：任天
大爆炸的"回声"可能还残留在如今的天空中，验证量子引力的最好办法可能是通过宇宙学观测 时空可能来自一个更基本的现实。只有弄清楚时空如何出现，才能解开物理学中最紧迫的难题——量子引力理论。
娜塔莉·帕奎特是美国华盛顿大学的理论物理学家，她一直在思考一个问题：如何增加一个额外的维度。从分散在空间和时间每一个点上的小圆圈开始，这些圆圈可以视为一个绕回自身的旋曲形维度；然后，把这些圆圈缩小，越来越小，越来越紧，直到发生一场奇怪的转变：这个维度不再看起来很小，而是变得巨大，就如你发现某个看起来很小且很近的东西，实际上不仅巨大而且遥远。"我们正在使一个空间方向缩小，"怕奎特说，"但当我们试图把它缩小到某个特定的点时，一个新的、大的空间方向就出现了。"
帕奎特并不是唯一思考这种奇怪维度嬗变的人。在物理学的不同领域，越来越多的物理学家尽管研究方法不同，但都逐渐认同一个深刻的想法：空间，甚至时间，都不是基本的事物。相反，空间和时间可能是从更基本的自然组分的结构和行为中"涌现"出来的。在现实的最深处，诸如"何处？""何时？"这样的问题可能根本就没有答案。我们从物理学中得到了很多暗示，我们所理解的时空并不是基本的事物。
这些激进的观点来自于量子引力理论研究的最新进展。一个多世纪以来，物理学家们一直在寻找最佳的量子引力理论。目前最具有说服力的引力理论是广义相对论，由阿尔伯特·爱因斯坦提出，阐述了物质如何扭曲空间和时间。另一种解释万物的理论是量子物理学，当涉及到物质、能量和亚原子粒子的性质时，量子物理学惊人地精确。这两种理论都轻松通过了物理学家们在上个世纪所能设计的所有测试。有人可能会想，把二者放在一起，就能获得所谓的"万有理论"。
然而，这两种理论并不相容。如果你想知道在量子力学的背景下应用广义相对论会发生什么，就会得到矛盾的答案，你的计算中会出现难以驾驭的无穷数。大自然知道如何将引力应用于量子环境中，包括大爆炸的最初时刻，也包括黑洞的中心，但我们仍在努力理解这一过程是如何实现的。部分问题在于这两种理论处理空间和时间的方式，量子力学认为空间和时间是不可变的，而广义相对论则将它们随意扭曲。
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不同观点。要做到这一点，一种方法是让空间和时间从更基本的事物中产生，从源头——时空本身——上解决这个问题。近年来，几个不同方向的研究都表明，在现实的最深层，空间和时间并不以我们日常世界中的方式存在。过去十年中，这些观点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事物的原理，比如虫洞——相距遥远的时空点之间如隧道般的假想连接。这些成功使取得更大突破的希望继续存在。如果时空是涌现的，那么弄清楚它从何而来——以及它如何从其他任何事物中产生——或许就能为我们最终打开万有理论的大门。
弦理论中的世界
如今，弦理论是最受物理学家们欢迎的量子引力候选理论。根据该理论，弦是物质和能量的基本组成部分，产生了可以在粒子加速器中看到的无数基本亚原子粒子。弦甚至与引力的产生有关，该理论的必然结果之一，就是一种承载引力的假想粒子，称为"引力子"。
然而，弦理论很难理解，更多是存在于物理学家和数学家花了几十年时间探索的数学领域。该理论的大部分架构仍未建立，更多的探索仍在计划中，研究者还需要填补很多空白。这个新领域所依赖的主要技巧是数学对偶，即一种系统和另一种系统之间的对应关系。
我们可以用开头提到的小维度和大维度之间的对偶作为例子。试着把一个维度塞进一个小空间，弦理论会告诉你，你最终将得到一个数学上完全相同，该维度却十分巨大的世界。根据弦理论，这两种情况是一样的——你可以在一种情况与另一种情况之间自由地来回切换，并通过使用某些技巧，从一种情况来理解另一种情况是如何运作的。"如果你仔细跟踪这个理论的基本构建模块，"怕奎特说，"有时候你会很自然地发现……你可能获得了一个新的空间维度。"
在许多弦理论学家看来，类似的对偶关系表明空间本身是涌现的。这个想法始于1997年，当时普林斯顿高级研究院的物理学家胡安·马尔达西那发现了一种量子理论（共形场论，简称CFT）与广义相对论中一种特殊时空（反德西特空间，简称AdS）之间的对偶关系，即AdS/CFT对偶。二者似乎是截然不同的理论——CFT完全没有引力，而AdS则包含了广义相对论所有的引力效应。然而，这两个世界可以用同样的数学进行描述。AdS/CFT对偶的发现为量子理论与包含引力的整个宇宙之间提供了一种具体的数学联系。
奇怪的是，AdS/CFT对偶中的空间AdS比量子场CFT多了一个维度。但物理学家们很喜欢这种不匹配，因为它可以作为几年前提出的另一种对偶关系的特例。这种对偶关系是荷兰乌得勒支大学的物理学家杰拉德·特·胡夫特和美国斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德提出的，称为全息原理（holographic principle）。基于黑洞的一些特殊特征，特·胡夫特与萨斯坎德推测，一个空间区域的性质可能完全"编码"在其边界上。换句话说，一个黑洞的二维表面将包含所有描述其内部三维结构的信息——就像一个全息图。"我想很多人都觉得我们疯了，"萨斯坎德说，"认为这两个优秀的物理学家变坏了。"
类似地，在AdS/CFT对偶中，四维CFT对与其相关的五维AdS空间的所有内容进行编码。在这个系统中，整个时空区域是由共形场论中量子系统各组分之间的相互作用建立起来的。这一过程可以比作阅读小说："如果你在书中讲述一个故事，书中的人物就会有所作为，但书上只有一行文字，对吧？从这行文字中可以推断出这些人物正在做什么。书中的人物就像AdS，而这一行文字就是CFT。"
那么，AdS的空间来自哪里呢？如果这个空间是涌现的，那么它是从哪里冒出来的呢？答案是CFT中一种特殊而奇怪的量子相互作用：纠缠。这是一种纯粹发生于量子系统的现象，两个远距离粒子的行为会以统计上不可能的方式被瞬间关联起来。众所周知，量子纠缠问题一直困扰着爱因斯坦，他称其为"鬼魅般的超距作用"。
我们熟悉的平滑时空来自于时空中微小"颗粒"的集体行为；就像沙丘一样，这些厚实的晶体状颗粒仍然是沙子，但它们看起来或表现出来的行为都不像起伏的沙丘 我们会知道空间和时间的真正本质吗？
不过，尽管如同鬼魅，但量子纠缠依然是量子物理学的核心研究领域。在量子力学中，当任何两个物体相互作用时，它们通常就会纠缠在一起，而且只要它们隔绝于世界的其他事物，它们就会一直纠缠——不管之间的距离有多远。在实验中，物理学家已经在相距1000公里以上的粒子之间，甚至在地面粒子与轨道卫星上的粒子之间观察到了量子纠缠现象。理论上，两个纠缠的粒子可以在星系或宇宙的两端维持它们的关联。距离对于纠缠而言似乎并不重要，而这正是困扰了许多物理学家几十年的难题。
但如果空间是涌现的，那么纠缠在远距离持续存在的能力可能就不那么神秘了——毕竟，距离是一种空间结构。对AdS/CFT对偶的研究显示，最初正是由纠缠在AdS空间中产生了距离。在这一对偶关系的AdS侧，空间中任意两个邻近区域对应于CFT中两个高度纠缠的量子组分，它们越纠缠在一起，空间区域就越紧密。
近年来，物理学家开始猜测，这种关系可能也适用于我们的宇宙。"是什么将空间维系在一起，并防止它分裂成不同的子区域？答案就在于空间两个部分之间的纠缠，"萨斯坎德说，"空间的连续性和联结性归功于量子力学的纠缠。"因此，纠缠可能会巩固空间本身的结构，形成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，"萨斯坎德说，"这将是与涌现相.............
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