論時(shí)空的本質(zhì)，它或許是現(xiàn)實(shí)世界的真正起源！

假設(shè)你想和朋友一起喝咖啡。你必須告訴他們你要去哪里-你在太空中的位置-但你也需要讓他們知道什么時(shí)候去。這兩個(gè)信息都是必要的，因?yàn)槲覀兩钤谝粋€(gè)四維連續(xù)體中：三維空間以及其中的一切，從熱氣騰騰的咖啡機(jī)到遙遠(yuǎn)星系中爆炸的恒星，所有這些都發(fā)生在一維時(shí)間的不同時(shí)刻。

“時(shí)空”僅僅是我們和其他一切存在于其中的物理宇宙。然而，即使在其中生活了幾千年，我們?nèi)匀徊恢罆r(shí)空到底是什么。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家一直在努力解決這個(gè)問(wèn)題。最近幾年，很多科學(xué)家一直在試圖弄清楚什么可能是編織現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)的線(xiàn)索。我們有想法，每一種都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，時(shí)空是從量子世界的一種奇怪的屬性中出現(xiàn)的，這意味著粒子和場(chǎng)，這些自然界的基本組成部分，即使它們?cè)谟钪娴膬啥耍部梢赃B接在一起。如果這是正確的，我們可能最終在兩個(gè)不可調(diào)和的物理學(xué)圖騰之間找到了一座橋梁，將我們置于量子引力理論的門(mén)檻上。我們還將得到迄今為止最令人震驚的證明：我們所看到的世界并不是真實(shí)的世界-正如阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）所說(shuō)，總是有“深深隱藏的東西”，而理解現(xiàn)實(shí)的根本本質(zhì)的唯一方法是正面面對(duì)量子力學(xué)。

時(shí)空是一個(gè)相對(duì)較新的概念。艾薩克·牛頓（Isaac Newton）不需要它。對(duì)他來(lái)說(shuō)，空間和時(shí)間是各自真實(shí)的和絕對(duì)的。只有當(dāng)愛(ài)因斯坦在1905年提出他的狹義相對(duì)論時(shí)，兩者才開(kāi)始走到一起。他指出，不同的觀(guān)察者通常會(huì)以不同的、不相容的方式將時(shí)空劃分為“空間”和“時(shí)間”；什么是“空間”和什么是“時(shí)間”是相對(duì)于觀(guān)察者如何運(yùn)動(dòng)的。

此前，各種思想家都曾猜測(cè)，這兩者應(yīng)該結(jié)合在一起。例如，在埃德加·愛(ài)倫·坡(Edgar Allan Poe)1848年的散文詩(shī)“尤里卡”(Eureka)中，他寫(xiě)道：“空間和持續(xù)時(shí)間是一體的。”但直到1908年數(shù)學(xué)家赫爾曼·明科夫斯基（Hermann Minkowski）才以科學(xué)的方式將它們統(tǒng)一起來(lái)。他戲劇性地宣稱(chēng)：“從今以后，空間本身和時(shí)間本身將完全化作影子，只有兩者的某種聯(lián)合才能保持獨(dú)立。”

“在這個(gè)世界上，時(shí)空怎么可能存在于各種可能性的疊加中呢？”

愛(ài)因斯坦不為所動(dòng)，抱怨這是“多余的學(xué)問(wèn)”。但他最終改變了主意，把時(shí)空幾何牢牢地放在他的廣義相對(duì)論的核心上。它說(shuō)時(shí)空不僅僅是事物發(fā)生的靜態(tài)背景。它是一個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)體，在質(zhì)量和能量的影響下翹曲和拉伸。時(shí)空的曲率對(duì)我們來(lái)說(shuō)表現(xiàn)為引力。

盡管如此，問(wèn)經(jīng)典物理學(xué)中的時(shí)空“由什么組成”似乎很奇怪。在廣義相對(duì)論中，時(shí)空隨著時(shí)間的推移而變化，以響應(yīng)其他物質(zhì)。但它仍然是一個(gè)背景，是大自然的基本組成部分。它不是由任何東西組成的。

這種觀(guān)點(diǎn)的問(wèn)題始于量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，量子力學(xué)是控制亞原子粒子和場(chǎng)行為的規(guī)則。科學(xué)家們還沒(méi)有能夠構(gòu)建一個(gè)量子力學(xué)的引力理論，就像他們對(duì)自然界的其他三種基本力量所做的那樣。這個(gè)問(wèn)題的一部分是技術(shù)問(wèn)題：當(dāng)我們?cè)噲D使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)將經(jīng)典廣義相對(duì)論變成量子力學(xué)理論時(shí)，我們的方程爆炸了，我們得到了毫無(wú)意義的答案。但其中一部分是概念性的。

量子力學(xué)告訴我們，系統(tǒng)存在于不同可測(cè)量量(如位置和速度)的疊加中。沒(méi)有量子粒子的“位置”這樣的東西；有許多可能的位置，只有當(dāng)我們觀(guān)察到它們時(shí)，它們才具有確定的值。在這個(gè)世界上，時(shí)空怎么可能存在于不同可能性的疊加中？這樣就不可能肯定地說(shuō)某個(gè)事件發(fā)生在空間和時(shí)間上的一個(gè)確定的位置。

不同信仰的物理學(xué)家已經(jīng)采取了不同的方法來(lái)構(gòu)建量子引力理論形式的解決方案。最流行的是弦理論，它用振動(dòng)弦的環(huán)和片段代替粒子。弦理論成功地產(chǎn)生了引力的量子版本，但并沒(méi)有以一種明顯的方式與我們的世界相連。它也沒(méi)有解決這些基本的概念問(wèn)題。弦論的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，環(huán)量子引力，是直接量化廣義相對(duì)論的一種嘗試。

這導(dǎo)致一些物理學(xué)家后退一步，以不同的方式提出這個(gè)問(wèn)題。發(fā)展對(duì)某些現(xiàn)象（如電磁場(chǎng)或原子集合）的量子描述的標(biāo)準(zhǔn)方法是從經(jīng)典描述開(kāi)始，然后對(duì)其進(jìn)行“量化”。當(dāng)涉及到引力和時(shí)空時(shí)，這種方法一次又一次地失敗了。自然也不是這樣運(yùn)作的。現(xiàn)實(shí)世界并不是以經(jīng)典的方式開(kāi)始，然后以某種方式量化。它從一開(kāi)始就是量子的，經(jīng)典世界作為近似值出現(xiàn)。

所以也許我們根本就不應(yīng)該試圖量化引力。也許我們應(yīng)該從一開(kāi)始就制定一個(gè)量子理論，然后展示經(jīng)典時(shí)空是如何從中產(chǎn)生的。這是一種新的方法，它對(duì)我們?nèi)绾嗡伎紩r(shí)空本身是由什么構(gòu)成的產(chǎn)生了戲劇性的后果。

為了在這個(gè)方向上取得進(jìn)展，從我們目前最好的物理理論-量子場(chǎng)論開(kāi)始，這是有幫助的。根據(jù)這一理論，世界的基本成分是場(chǎng)，例如電場(chǎng)和磁場(chǎng)。甚至像電子和夸克這樣的粒子也只是在空間中伸展的磁場(chǎng)中的振動(dòng)。

傳統(tǒng)上，我們可以通過(guò)將空間劃分成微小區(qū)域以近似方式確定的場(chǎng)的值。一旦我們升級(jí)到量子場(chǎng)論，游戲中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)額外的特征：不同區(qū)域的場(chǎng)值可以相互糾纏。由于量子的不確定性，我們不知道如果我們?cè)谀硞€(gè)位置測(cè)量場(chǎng)，我們將得到確切的答案，但糾纏意味著我們?cè)谀骋稽c(diǎn)得到的答案將影響我們?cè)谌魏纹渌c(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。

也許量化引力是錯(cuò)誤的，時(shí)空一直潛伏在量子力學(xué)中。

在普通量子場(chǎng)論的真空狀態(tài)下（沒(méi)有粒子飛來(lái)飛去），不同區(qū)域的場(chǎng)之間的糾纏直接與它們之間的距離有關(guān)，因此與時(shí)空的幾何形狀有關(guān)。鄰近區(qū)域之間的糾纏度很高，而較遠(yuǎn)的區(qū)域之間的糾纏度很小。

這表明了一種有趣的方式，可以逆轉(zhuǎn)我們正常的思維方式，從而在量子理論中找到時(shí)空。讓我們想象一下，從一個(gè)量子態(tài)開(kāi)始，沒(méi)有預(yù)先存在的時(shí)空概念。現(xiàn)在我們可以嘗試反向工作，從糾纏中提取時(shí)空。

如果在普通物理學(xué)中，兩個(gè)區(qū)域之間的糾纏度隨著兩個(gè)區(qū)域之間的距離越來(lái)越遠(yuǎn)而減小，那么讓我們想象一下，將距離定義為與糾纏度有關(guān)的距離。在這種情況下，量子態(tài)會(huì)自動(dòng)給出它的任意兩部分之間的“距離”，因此定義了這個(gè)新興空間上的幾何體。

到目前一切尚好。但是量子態(tài)存在于每個(gè)時(shí)刻，所以它充其量只能定義那個(gè)時(shí)刻的空間幾何。我們想把它擴(kuò)展到四維時(shí)空。

值得慶幸的是，這里我們可以從馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家泰德·雅各布森（Ted Jacobson）那里借用一個(gè)技巧，他在1995年展示了我們?nèi)绾螐年P(guān)于熵和幾何關(guān)系的簡(jiǎn)單假設(shè)中推導(dǎo)出廣義相對(duì)論的愛(ài)因斯坦方程。

熵，一種無(wú)序的衡量標(biāo)準(zhǔn)，與糾纏直接相關(guān)：一個(gè)區(qū)域與世界其他地方的糾纏越多，它包含的熵就越多。愛(ài)因斯坦說(shuō)，它是在向一個(gè)區(qū)域添加物質(zhì)或能量，導(dǎo)致時(shí)空彎曲。雅各布森表明，如果我們堅(jiān)持熵的量必須與包圍該區(qū)域的面積成正比，增加區(qū)域的糾纏度也可以產(chǎn)生同樣的效果。這在空白空間中當(dāng)然是正確的，但雅各布森提出，即使空間不是空的，它仍然是正確的。你可以嘗試添加更多的糾纏，但時(shí)空會(huì)彎曲以進(jìn)行補(bǔ)償，因此熵始終與面積成正比。

所以愛(ài)因斯坦說(shuō)，能量導(dǎo)致曲率，而雅各布森說(shuō)，糾纏產(chǎn)生曲率。但雅各布森也認(rèn)為，這其實(shí)是一回事：每當(dāng)你加入糾纏，能量必然隨之而來(lái)。從這個(gè)邏輯中，他能夠推導(dǎo)出他的方法中的時(shí)空曲率遵循愛(ài)因斯坦第一次寫(xiě)下廣義相對(duì)論的同一方程。引力，似乎可以產(chǎn)生于糾纏，而不是直接來(lái)自質(zhì)量和能量。這個(gè)顯著的結(jié)果就是現(xiàn)在所謂的“熱力學(xué)”或“熵”引力的開(kāi)始。

現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)

但它并沒(méi)有把我們帶到我們需要去的地方。在推導(dǎo)引力來(lái)自何處的另一種圖景時(shí)，雅各布森假設(shè)了一個(gè)經(jīng)典的時(shí)空，并想象其中存在量子場(chǎng)。理想情況下，我們希望從一開(kāi)始就保持一切量子，并推導(dǎo)出時(shí)空本身的存在。這是肖恩·卡洛爾（Sean Carroll）最近與他的合作者一起嘗試的。我們不是從生活在時(shí)空中的振動(dòng)量子場(chǎng)開(kāi)始，而是從完全抽象的量子“自由度”開(kāi)始。

這只是一些量，可以有不同的值，獨(dú)立于其他量。在牛頓力學(xué)中，自由度是粒子的位置和速度；在場(chǎng)論中，它們是場(chǎng)的值和變化率。在我們的方法中，自由度沒(méi)有任何直接的物理解釋。它們是現(xiàn)實(shí)的基本材料，是創(chuàng)造其他一切事物的本質(zhì)-一種預(yù)先存在于一切事物中的“量子性”。最重要的是，這些量子自由度彼此糾纏在一起。

考慮到這一點(diǎn)，我們顛覆了雅各布森的想法。現(xiàn)在我們可以將一個(gè)區(qū)域周?chē)膮^(qū)域定義為其自由度與外部世界的糾纏。果然，相應(yīng)的幾何符合愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論方程。換句話(huà)說(shuō)，引力可以直接從現(xiàn)實(shí)的量子本質(zhì)中浮現(xiàn)出來(lái)，而不需要量化任何假設(shè)的經(jīng)典東西。

這聽(tīng)起來(lái)像是一個(gè)結(jié)論，但它更像是一個(gè)充滿(mǎn)希望的開(kāi)始。我們的推導(dǎo)中加入了許多假設(shè)，這些假設(shè)在本質(zhì)上是否成立還有待觀(guān)察。最重要的是，我們從糾纏中推導(dǎo)出的愛(ài)因斯坦方程只有在引力較弱且時(shí)空幾乎平坦的情況下才有效。一旦引力變得強(qiáng)大，時(shí)空是彎曲的，就像在大爆炸或黑洞附近一樣，從根本上來(lái)說(shuō)，新的現(xiàn)象就變得重要起來(lái)。

其中最引人注目的是“全息原理”，即描述黑洞的自由度可以被認(rèn)為是生活在它的邊緣，即事件視界，而不是內(nèi)部。普林斯頓高級(jí)研究所的胡安·馬爾達(dá)塞納(Juan Maldacena)使用全息原理展示了兩種截然不同的理論之間的等價(jià)性：四維時(shí)空中沒(méi)有引力的量子場(chǎng)論，以及五維空間中具有負(fù)真空能量的量子引力。

加拿大不列顛哥倫比亞省大學(xué)的馬克·范·拉姆斯東克（Mark van Raamsdonk）和其他人的后續(xù)工作表明，這種對(duì)應(yīng)的量子引力一側(cè)的時(shí)空幾何與場(chǎng)論一側(cè)的量子糾纏直接相關(guān)。當(dāng)我們減少場(chǎng)論中的糾纏時(shí)，量子引力方面的時(shí)空就會(huì)變得分離。

加州斯坦福大學(xué)的馬爾達(dá)塞納和倫納德·蘇斯金德（Leonard Susskind）將這種聯(lián)系發(fā)揮到了極致，他們提出了一個(gè)大膽的想法，他們稱(chēng)之為“ER=EPR”。ER代表阿爾伯特·愛(ài)因斯坦和內(nèi)森·羅森，他們?cè)?935年寫(xiě)了一篇論文，提出蟲(chóng)洞的存在，或者說(shuō)是穿越時(shí)空的捷徑。同時(shí)，EPR代表愛(ài)因斯坦，鮑里斯·波多爾斯基和羅森，他們合作撰寫(xiě)了另一篇論文，強(qiáng)調(diào)糾纏在量子理論中的作用。因此，ER=EPR猜想假設(shè)，無(wú)論何時(shí)有兩個(gè)糾纏的粒子，都會(huì)有一個(gè)微小的蟲(chóng)洞將它們連接起來(lái)。

別太從字面上理解。據(jù)說(shuō)連接成對(duì)粒子的蟲(chóng)洞在顯微鏡上看都很小，任何東西都不可能通過(guò)。只有當(dāng)大量的糾纏參與進(jìn)來(lái)時(shí)，我們才開(kāi)始看到空間結(jié)構(gòu)中的宏觀(guān)扭曲。

此外，我們的宇宙具有正的真空能量，而不是負(fù)的真空能量，因此馬爾達(dá)塞納的負(fù)真空能量思想實(shí)驗(yàn)中揭示的等價(jià)性的含義不會(huì)直接轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界中處理量子引力的可行策略。然而，它們確實(shí)是另一個(gè)強(qiáng)烈的暗示，即量子糾纏是這一切的核心。

“只有在大量糾纏的情況下，我們才能看到太空結(jié)構(gòu)中的大規(guī)模扭曲”

目前，所有這些想法都介于有希望的猜測(cè)和樂(lè)觀(guān)的夢(mèng)想之間。我們不知道思考這些假設(shè)的基本自由度的最佳方式，它們糾纏在一起形成時(shí)空，我們也不知道它們是如何以任何詳細(xì)的方式相互作用的。我們還不能推導(dǎo)出生活在時(shí)空中遵循相對(duì)論規(guī)則的量子場(chǎng)的出現(xiàn)。我們當(dāng)然還不能回答重要的問(wèn)題，比如為什么空間的能量這么小。

即便如此，想象時(shí)空從量子糾纏中涌現(xiàn)出來(lái)，對(duì)于思考現(xiàn)實(shí)的基本本質(zhì)是一種很有希望的方式。也許從廣義相對(duì)論開(kāi)始并試圖量化它是一個(gè)錯(cuò)誤；也許時(shí)空一直潛伏在量子力學(xué)中。

糾纏時(shí)間

在尋找我們稱(chēng)之為時(shí)空的現(xiàn)實(shí)背景背后是什么的過(guò)程中，我們已經(jīng)開(kāi)始理解空間部分是如何從量子糾纏中浮現(xiàn)出來(lái)的。時(shí)間是另一回事。但有一種方法可以從同樣的現(xiàn)象中衍生出第四維。

早在1983年，現(xiàn)供職于加拿大阿爾伯塔大學(xué)的唐·佩奇（Don Page）和馬薩諸塞州威廉姆斯學(xué)院的威廉·伍特斯（William Wootters）就提出了這一建議。在量子力學(xué)中，如果一個(gè)系統(tǒng)可以處于各種不同的狀態(tài)，我們可以任何組合將這些狀態(tài)加在一起，以創(chuàng)建新的狀態(tài)，即原始狀態(tài)的疊加。例如，電子可以順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但它也可以是兩者的疊加。

考慮到這一點(diǎn)，考慮一個(gè)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成的量子系統(tǒng)：一個(gè)是時(shí)鐘，另一個(gè)是其他一切。讓系統(tǒng)作為一個(gè)整體隨著時(shí)間的推移而發(fā)展，這樣時(shí)鐘在每個(gè)時(shí)刻的讀數(shù)都不同。現(xiàn)在取一系列這樣的時(shí)刻，比方說(shuō)每秒一個(gè)，并在所有時(shí)刻將所有特定的量子態(tài)加在一起。

這將提供一個(gè)新的超級(jí)狀態(tài)，即單個(gè)狀態(tài)與特定時(shí)鐘讀數(shù)和其他所有內(nèi)容的特定配置的疊加。它不會(huì)隨著時(shí)間而進(jìn)化。但因?yàn)檫@是一個(gè)量子系統(tǒng)，時(shí)鐘與世界的其他部分糾纏在一起。如果我們測(cè)量時(shí)鐘，看看它讀到了什么，系統(tǒng)的其余部分將立即進(jìn)入原始系統(tǒng)在相應(yīng)時(shí)間擁有的任何量子態(tài)。

通過(guò)這種方式，即使在不變的量子狀態(tài)下，時(shí)間也會(huì)出現(xiàn)。關(guān)鍵是糾纏，我們所需要的只是一個(gè)時(shí)鐘子系統(tǒng)，以正確的方式與宇宙的其他部分糾纏在一起。時(shí)間就是你的時(shí)鐘讀數(shù)。