時空的量子起源
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撰文：Tom Siegfried
劇作家羅德·瑟林（Rod Serling）了解與維度有關的一切。他的劇集《迷離境界》（The Twilight Zone）是一個想像的維度，一個視覺、聽覺和思維的維度，一個如空間般廣闊、如無限般永恆的維度。當中的一切都很清楚，除了與空間和時間有關的部分，也就是真實世界中的維度。瑟林從來沒有解釋過這些。
自從愛因斯坦以來，科學家一直在撓頭思考，到底要如何理解空間和時間。在那之前，幾乎所有人都認為牛頓已經把一切都解釋清楚了。牛頓宣稱，時間均勻地流淌，與任何外部事物都無關；絕對空間也只關於自身，總是相似且不可移動的，在空間中什麼也沒有。物理現實的事件獨立地發生在一個中立的舞台上，演員們昂首闊步、四處移動，卻並不影響劇院的其他部分。
但愛因斯坦的理論將牛頓的絕對空間與時間變成了相對論式的混合體，他的方程預示的是一個融合的時空，這就像是一種新的競技場，場上的運動員能改變賽場周圍的空間。相對論改變了物理學的遊戲規則。空間和時間不再是為物質和能量提供的一個毫無特徵的背景。之前彼此獨立、均勻展開的空間和時間變得不可分割且充滿變化。正如愛因斯坦在他的廣義相對論中所展示的那樣，物質和能量會扭曲周圍的時空。這個簡單的事實解釋了引力。牛頓理論中的引力作用成為了一種由時空幾何造成的錯覺。是時空的形狀決定了大質量物體的運動，而大質量物體反過來又決定了時空的形狀，這是一種互為對稱的原則。
愛因斯坦掀起了一場時空革命，而對這場革命的驗證出現在一個世紀之前。當時，一個考察項目精確測量了在日食發生時，來自遙遠星體的光在接近太陽邊緣時出現的彎曲程度，從而證實了廣義相對論的主要預測。但時空仍然神秘莫測。因為時空並非虛空，所以人們自然會好奇，時空到底從何而來。
如今，在上個世紀另一場偉大的物理學奇蹟——量子力學的基礎之上，一場新的革命即將回答這個問題。這場革命將有望再次改寫時空的概念，甚至還有可能解釋量子力學為何如此怪異。
在《凝聚態物理學年鑒2018》中，物理學家布萊恩·斯溫格爾（Brian Swingle）寫道：「時空和引力最終必然來自其他東西。」否則，我們將很難看到要如何協調愛因斯坦的引力理論和量子力學的數學之間長期以來的不相容。愛因斯坦將引力看作是時空幾何的表現形式，這種觀點取得了巨大的成功。但量子力學也是如此，它準確無誤地描述了物質和能量在原子尺度上的相互作用。然而，在試圖找到一種能讓量子的奇異性與幾何引力相調和的連貫數學時，物理學家卻遭遇了技術和概念上的巨大障礙。
至少長期以來，對於嘗試理解普通的時空而言，情況都是如此。但是，從對其他的時空幾何的理論研究中，湧現出了可能通往一條前進道路的線索。其中一種替代理論被稱為反德西特空間（anti-de Sitter space），它具有奇怪的彎曲，而且傾向於向自身坍縮，而不是像我們的宇宙那樣膨脹。反德西特空間不會是一個適合居住的地方，但作為一個研究量子引力理論的實驗室，它能提供很多東西。斯溫格爾寫道：「量子引力非常豐富且令人困惑，就連模型宇宙也能給物理學帶來巨大的啟發。」
例如，對反德西特空間的研究表明，描述引力（也就是時空幾何）的數學可以等價於低一個維度的空間中的量子物理數學。這就像是全息圖，它是一個能體現三維圖像的平坦二維曲面。以這樣的思維來看，或許四維的時空幾何可以被編碼進三維空間的量子物理數學。又或者，我們需要更多的維度，而到底需要多少個維度也是問題的一部分。
無論如何，沿著這些道路進行的研究揭示了一種令人驚訝的可能性：時空本身可能由量子物理學產生，特別是由量子糾纏這種令人困惑的現象產生。
正如人們普遍解釋的那樣，糾纏是一種幽靈般的連接，能將哪怕相隔遙遠的粒子也連接在一起。如果這些粒子是從一個共同的源發出的，那麼無論它們彼此相距多遠，仍然會糾纏在一起。如果測量其中一個粒子的特性（比如自旋或偏振），那麼我們也會知道對另一個粒子進行同樣的測量會得出什麼結果。但在測量之前，這些性質是不確定的，這是一個頗為違反直覺的事實，但它已經被許多實驗所證實。它看起來像是一個地方的測量結果決定了另一個遙遠地方的測量結果。
這聽起來似乎在暗示，糾纏的粒子必須能夠以超過光速的速度交流。否則我們無法想像，在廣闊的時空中，其中一個粒子如何知道另一個粒子發生了什麼。但它們之間事實上不會發送任何信息。那麼，糾纏的粒子如何跨越分隔它們的時空鴻溝呢？或許答案是，它們沒有必要這樣做，因為糾纏並不在時空中發生。而是糾纏創造了時空。
至少，這是模型宇宙目前帶給我們的啟發。斯溫格爾在文章中寫道：「時空和引力的出現是量子多體物理學中的一個神秘現象，我們想要理解它。」在幾位頂尖物理學家的不懈努力下，我們已經獲取了一些理論證據，表明是糾纏的量子態網路編織了時空的結構。這些量子態通常用「量子比特」來描述，也就是量子信息位元，它們就像普通計算機中的比特一樣，只不過不是簡單的1或0，而是1和0的疊加。糾纏的量子比特會生成具有一個額外維度的空間幾何網路，超出這些量子比特所在的維度數量。所以量子比特的量子物理可以等同於具有一個額外維度的空間幾何。最重要的是，糾纏的量子比特所生成的幾何結構可能非常符合愛因斯坦的廣義相對論方程，至少最新的研究是指向這個方向的。Swingle寫道：「顯然，從糾纏中建立的具有正確性質的幾何必須遵守引力運動方程。這一結果進一步證明，時空起源於糾纏的說法是正確的。」
儘管如此，我們仍然需要證明的是，在具有額外維度的模型宇宙中所發現的線索，能否在普通時空中敘述一個真實的故事，在這個真實的故事中，真正的物理學家昂首闊步、撓頭思考。沒有人真正確切地知道，現實世界中的量子過程將如何編織時空的結構。或許我們會發現在計算中所作的一些假設是錯誤的。但也有可能是物理學正處於一種邊緣狀態，它比以往任何時候都更深入地探究大自然的基礎，探索包含此前未知的時空維度（或是視覺和聲音）在內的存在，而這種未知的維度最終或許能讓《迷離境界》變成一場真人節目。
譯：烏鴉少年
版權聲明：原文標題為「A quantum origin for space time」，首發於Knowable Magazine（www.knowablemagazine.org）。原文鏈接：https://www.knowablemagazine.org/article/physical-world/2019/quantum-origin-spacetime。本文經Knowable Magazine的出版社Annual Reviews授權翻譯。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
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