宇宙最基本的成分並非物質，而是信息？

繪圖：Harriet Lee-Merrion

從分子到原子，再到更為基礎的粒子……物理學家一路向著更微觀的世界摸索。一個隨之而來的問題是，這個宇宙最基本的成分究竟是什麼？是量子糾纏，還是糾纏態之下更為基礎的信息？現在，我們距離答案又近了一步……

當你展開雙手時，你好奇過它們是由什麼組成的嗎？顯而易見，皮膚覆蓋著肉體、血液和骨骼。這些身體組織由分子組成，分子由原子組成，原子又由電子、質子和中子構成。而當我們追溯到基本粒子和能量的層面時，才上升到問題的本質。

然而，我們真的已經深入本質了嗎？縱觀物理學史，在過去的三百多年中，我們一直在探索現實的本質——物質到底是由什麼構成的。一次又一次，我們發現比已知更深入的層次。而每突破到一個新的層次，我們對現實的理解就會被刷新。

量子理論、廣義相對論是當今解釋現實最為成功的理論，但卻互不兼容。隨著這兩個理論之間的矛盾不斷被調和，如今我們也許就處在下一個突破的邊緣。粒子、能量、空間、時間，或者任何我們可能認為是最基本物質的東西都不是現實的本質。而關於這個問題的真正答案，我們才剛剛開始窺探到。

現實本質的探索歷程

對於構成現實的基本元素，在每個時代都有不同的版本。哲學家德謨克利特（原子論的創始人之一）認為，所有物質都是由原子組成的。而亞里士多德認為現實的本質是土、空氣、水和火。在十九世紀末期，人們的關注點轉移到了以太上，即所謂光的傳播媒介。

然而，在過去的三個世紀中，牛頓重塑了我們對物質組成的認識。他認為現實由三個基本部分構成：時間，有質量的粒子，和一個允許粒子在其中運動的空間。基於這三個基本組成部分，牛頓建立了一套理解宇宙運行原理的體系，並成功地解釋了大多數現象。然而，當粒子的運動速度接近光速時，牛頓的理論就捉襟見肘了。

但即使沒有這個限制，牛頓的體系也不能解釋一切。儘管它描述了萬有引力（使得有質量物體在宇宙中運動的吸引力），但卻不能解釋這種力的本質。除此之外，宇宙之中的其他力也同樣神秘，例如電磁力。一直以來，我們對現實本質成分的討論從未停止（見下圖）。

現今，我們迫切地需要將量子理論和廣義相對論統一起來。前者是我們對微觀世界的最佳描述，而後者是愛因斯坦關於萬有引力的天才理論。當我們試圖描述黑洞或者大爆炸時，我們需要結合二者，但這看起來卻是不可理喻的。

不合理之處在於，量子理論認為力是由離散的量子組成的，但是廣義相對論認為萬有引力是連續的。目前，所有試圖量化萬有引力的努力都失敗了——但是這些嘗試為我們探索兩種理論的共同點提供了線索。

上世紀九十年代末，一項革命性的研究改變了我們對於這一問題的認識。當時，胡安·馬爾達西納（Juan Maldacena）在普林斯頓高等研究院研究弦理論。弦理論企圖解決上述兩種理論的糾紛：弦理論認為，基本粒子由一維「弦」的振動產生。馬爾達西納通過研究證明：對於一個時空區域，使用弦理論描述其內部的萬有引力在數學層面上與一組量子方程等價。這組量子方程描述了該時空區域的邊界，但不包括萬有引力。我們將他的發現稱為「馬爾達西納對偶」。儘管術語聽起來非常高深，但這一發現強烈暗示了廣義相對論和量子力學之間的聯繫。

量子糾纏創造時空？

這種對偶和另一個物理概念也存在有趣的關聯。1935年，愛因斯坦和他的同事納森·羅森（Nathan Rosen）證明了兩個黑洞可以被一段扭曲的時空（「愛因斯坦-羅森橋」，俗稱蟲洞）連接。2001年，馬爾達西納用他的對偶證明了蟲洞產生於兩個黑洞量子態的糾纏，即兩個黑洞如同幽靈，可以在一定距離外相互影響對方。

2009年，馬克·范拉姆斯多克（Mark Van Raamsdonk）在加拿大的不列顛哥倫比亞大學針對這個問題展開進一步研究：改變兩個黑洞之間的糾纏度會產生什麼結果。他發現，這種改變能夠控制蟲洞的寬度：當黑洞之間的糾纏度提高，蟲洞會變大；當糾纏度降低到一定程度時，兩個黑洞之間的關聯就會被掐斷（如下圖）。看來如廣義相對論所描述，量子糾纏可以創造時空。

范拉姆斯多克的研究成果使馬爾達西納和他的同事——斯坦福大學的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）提出了一個大膽的假說：時空總體上是由糾纏現象產生的。這個假說窺探到了更深層的現實本質。

但這也只是管中窺豹，還沒有形成完整的理論。薩斯坎德開始在細節層面進行更多的思考，例如在一個獨特的背景——單黑洞體系內，他們的假說如何立足。這些宇宙怪物（黑洞）吞噬物質，並在其體內創造長條形的時空。「量子糾纏值還沒有大到能夠解釋黑洞中發生了什麼。」 薩斯坎德表示。

但我們還沒有走進死胡同。薩斯坎德表示：「還有另一個超出糾纏限度的因素，即複雜性限度。」 量子系統可以存在於多個不同量子態的疊加中，複雜度隨著量子態數量的增加呈指數增長。薩斯坎德認為，黑洞量子複雜度的增加可能與黑洞內部時空的形成有關，儘管他還不知道其背後的原理。

然而，上述理論還有一個根本問題。雖然該理論是由馬爾達西納對偶衍生而來的，但是其數學原理表明，已存在的時空是產生新時空的必要條件。加州理工學院的肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）認為，如果時空的產生不是一個從無到有的過程，我們就不能說其形成與量子現象有關，即使他認為二者存在一些本質上的關聯。卡羅爾正試圖理解這種關聯，但卻並沒有從馬爾達西納對偶出發。「不然不就是作弊了嗎。」他說。

卡羅爾和他的同事採取了另一種方法。他們暫時先不考慮令人迷惑的時間，轉而著手研究一種叫做「希爾伯特空間」的抽象數學對象。希爾伯特空間的元素代表了一個量子系統所有可能的量子態。任何一個希爾伯特空間都可以被認為是由更小的希爾伯特空間堆積而成的。卡羅爾的團隊研究了各種希爾伯特空間，找到了組成這些空間的更小的空間，並且得到了它們之間的量子糾纏值。隨後，他們嘗試繪製出這樣的一個圖像，其中組成希爾伯特空間的小空間之間量子糾纏值越大，它們在圖上就離得越近。他們的問題是：這種圖像可以再現空間平滑的幾何特徵嗎？

對於任何以往獲得的圖像，答案是否定的。「它們簡直是一團亂麻。」卡羅爾說。但是他的團隊找到了一些可能派上用場的圖像。「恰好有幾個特定的量子態看起來非常幾何化，這些正是我們要找的。」卡羅爾對這些圖像來說，在圖中從一個點移動到另一個點的路徑相對比較平滑，所以我們所觀察到的空間平滑的幾何特徵可能是由一個純量子系統產生的。

信息構成的時空

無論是卡羅爾還是馬爾達西納的思路都只能幫我們到這裡了。空間和時間由量子糾纏或者量子複雜性組成是很好的想法，但是量子糾纏和量子複雜性是由什麼組成的呢？這正是我們接近現實本質的地方，因為卡羅爾和馬爾達西納的思路都指向了同一個引人入勝的答案：信息。

1948年，數學家及工程師克勞德·香農（Claude Shannon）給了「信息」一個簡潔的定義。他提出，比特流或者字元串中的信息量與信息的熵有關。熵越大，信息就越多。比如，一串僅由000這個3比特長的數字組成的流所含的信息量，就低於一串由001，101或者111組成的流所蘊含的信息量。

那麼信息如何成為萬物的本質呢？糾纏即是信息：兩個系統間的糾纏度越高，它們共享的信息就越多。但值得警惕的是，香農定義的信息必須切實存在並具有實際作用。在去年的實驗中，一台納米機器能使用信息來冷卻金屬，然而時空背後的量子信息肯定與此有所區別。一個字元串中的信息是有意義的，但不同的是，在卡羅爾的研究中，導致空間產生的量子信息只是存在而已。「量子態是沒有實際意義的，」 卡羅爾說，「它只是我們對宇宙最好的數學描述。」

卡羅爾說，量子信息是一切物質的本質，這一說法其實很有道理卡羅爾。如果你從量子力學著手，而且不假設任何事物的存在，那麼「你需要考慮的就只有量子信息」。這就使得信息成為了宇宙的基本成分。「有的人甚至覺得信息是宇宙中唯一的存在。」卡羅爾說。

繪圖：Harriet Lee-Merrion

德國法蘭克福高等研究院的扎比內·霍森費爾德（Sabine Hossenfelder）認為，我們也許能夠檢驗上述想法。「完美事物的存在越來越不可能了。」她說。看看我們已知最完美的結構之一：晶體，由精確重複的分子單元組成。在現實中，就算最純的晶體也有瑕疵。如果時空由更基礎的組成單元，類似的事情就可能會發生。「如果時空不是最基礎的物質，其中就應該有瑕疵。」 霍森費爾德說。這些瑕疵會導致一些違背廣義相對論的瞬間，而我們可能通過監測數十億光年外的光探測到它們。

要完成這樣的測試，我們還有很長的路要走。而且，不論如何，我們還是要對這一切研究的起點——馬爾達西納對偶保持懷疑。

馬爾達西納考慮的空間和真實的空間不盡相同。他所研究的AdS空間（anti-de Sitter space）在數學上更簡單，並且有明確定義的邊界和內部空間，馬爾達西納才得以將二者聯繫起來。

馬爾達西納的理論看起來爭議不大，但我們所觀察到的宇宙中的空間與他所研究的很不同。重點在於，真實的空間在不斷加速膨脹。這說明我們的宇宙沒有明確的邊界，所以我們還不清楚馬爾達西納對偶是否適用於真實的空間。如果答案是否定的，所有根據馬爾達西納對偶得出的結論就都有問題了。

但就算我們的宇宙沒有邊界，它確實也有個範圍。在這個範圍之外，沒有任何事物可以進入這個宇宙，即使是光也不可以。這也許能夠給我們指出前進的方向。去年11月，阿姆斯特丹大學的埃里克·韋爾蘭德（Erik Verlinde）根據這個範圍和一系列假設提出，量子糾纏其實和我們宇宙的時空有關。「我的理論受到了薩斯坎德和馬爾達西納的啟發。」韋爾蘭德說。基於這個飛躍，他導出了一種愛因斯坦方程的變體，並證明了時空和萬有引力如何產生於量子糾纏。這一結果在普通的空間中也適用。

雖然韋爾蘭德的假設存在大量爭論，但是他的成果也很振奮人心。他的研究為物理學中最大的謎題之一——暗能量提供了一種解釋。暗能量被認為導致了空間的擴張，但是在Verlinde的框架中，這種效果是自然產生的，並沒有暗能量的參與。

如果韋爾蘭德是對的，那麼在真實世界中，空間和時間或許的確是由信息構成的。如此一來，這個世界中表面上的現實都是幻覺，在它的背後是轉瞬即逝的信息。

但是對於薩斯坎德來說，由0和1組成的現實至少有種詩意的美好。他說，我們某一天也許能夠將整個宇宙編成一首詩：「啊，一切都是信息」。

來源：量子科學

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