空間像素
沙丘，是我們最熟悉的自然風(fēng)景之一。從遠(yuǎn)處看，沙丘顯得光滑無(wú)褶；但當(dāng)你接近沙丘并觸摸它時(shí)，就會(huì)感受到一粒粒的砂石顆粒。數(shù)碼圖像也是如此：當(dāng)你將圖像放到足夠大，就會(huì)看見(jiàn)那些構(gòu)成了圖像的獨(dú)特像素。
一些物理學(xué)家認(rèn)為，我們生活的空間也可能不是完全平滑的，而是由非常小的離散單元構(gòu)成的。許多科學(xué)家都在尋找這種像素化，因?yàn)樗?span>量子引力的預(yù)測(cè)。量子引力是一套包括弦理論在內(nèi)的理論，它們?cè)噲D統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子理論。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論重塑了我們的宇宙觀，它表明空間和時(shí)間可以被認(rèn)為是一個(gè)連續(xù)的整體，即時(shí)空，隨物質(zhì)的變化而彎曲。根據(jù)廣義相對(duì)論的定義，引力只不過(guò)是時(shí)空的曲率。
量子力學(xué)則描述了宇宙中除了引力之外的其他三種已知力：電磁力、弱力和強(qiáng)力。量子力學(xué)的一個(gè)特征是，這些力都可以被量子化為離散的包或粒子。例如，電磁力的量子化產(chǎn)生了一種被稱為光子的粒子。在微觀尺度，光子的幕后工作是傳遞電磁力。雖然在我們習(xí)慣的大尺度下，電磁場(chǎng)看上去是連續(xù)的，但當(dāng)將它放大時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它變得“凹凸不平”。
滑動(dòng)查看四種基本力。| 圖片來(lái)源：原理
那么，量子引力的核心問(wèn)題就是：在最小的尺度，時(shí)空是否也是一個(gè)由粒子組成的“海洋”，還是說(shuō)它像一汪不破裂的湖面一樣平滑？科學(xué)家普遍認(rèn)為，在最小的尺度上，引力應(yīng)該是凹凸不平的，這些凸起是一種被稱為引力子的假想粒子。但是當(dāng)物理學(xué)家用數(shù)學(xué)工具來(lái)描述引力如何從非常微小的引力子中產(chǎn)生時(shí)，一切都不成立了。
宇宙的新藍(lán)圖
弦理論讓一切變得不同。弦理論描述了一個(gè)有著10個(gè)維度的宇宙，其中6個(gè)維度被隱藏起來(lái)了，余下的4個(gè)維度構(gòu)成了空間和時(shí)間。正如它的名字那樣，弦理論假設(shè)，在最基本的層面上，宇宙中所有的物質(zhì)都是由微小的弦組成的。弦的不同振動(dòng)方式對(duì)應(yīng)著不同的基本粒子，比如電子、光子或引力子。
弦理論認(rèn)為，所有的基本粒子都是由振動(dòng)的弦組成的。| 圖片來(lái)源：原理
許多科學(xué)家都認(rèn)為弦理論是迄今為止最完整、最有可能的量子引力理論。然而，它所面臨的最大的挑戰(zhàn)之一是如何對(duì)它進(jìn)行驗(yàn)證。這是因?yàn)槿粝胍獙ふ伊孔右Φ奶卣鳎瑢?shí)驗(yàn)就需要觸及到所謂的普朗克長(zhǎng)度（即10?3?米）。要探測(cè)如此極端的尺度，物理學(xué)家必須建造一個(gè)同樣極端的探測(cè)器——一個(gè)太陽(yáng)系大小的探測(cè)器。這不僅造價(jià)昂貴，且需要耗費(fèi)數(shù)百年的時(shí)間。
驗(yàn)證量子引力的新思路
為了改變這一現(xiàn)狀，理論物理學(xué)教授Kathryn Zurek組建了一個(gè)名為量子引力及其觀測(cè)特征（QuRIOS）的項(xiàng)目，將熟悉量子引力但缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)踐的弦理論學(xué)家，與有實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)但缺乏從事量子引力研究的粒子理論學(xué)家和模型建造者，聯(lián)合起來(lái)。
作為項(xiàng)目的一部分，Zurek將與實(shí)驗(yàn)學(xué)家Rana Adhikari合作開(kāi)發(fā)一個(gè)使用桌面儀器的新實(shí)驗(yàn)，被稱為GQuEST。這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱綔y(cè)到的將不是時(shí)空像素本身，而是像素之間的聯(lián)系，這些聯(lián)系可以產(chǎn)生可觀測(cè)的特征。
Zurek他們所專注于的量子引力效應(yīng)，可以在10?1?米這樣一個(gè)更可控的尺度上觀察到。雖然這個(gè)尺度仍然非常小，但在非常精確的實(shí)驗(yàn)室儀器的幫助下，這是有可能實(shí)現(xiàn)的。
這樣的桌面實(shí)驗(yàn)將會(huì)像L型的LIGO，會(huì)在垂直方向上發(fā)射兩束激光的干涉儀。激光被鏡子反射后在原位會(huì)合。在LIGO的例子中，引力波拉伸和擠壓空間，影響了激光相遇的時(shí)間；而量子引力實(shí)驗(yàn)將尋找一種不同的時(shí)空漲落，這種漲落由在所謂的量子泡沫（或時(shí)空泡沫）中突然出現(xiàn)或消失的引力子構(gòu)成。(光子和其他量子粒子也會(huì)因?yàn)榱孔訚q落而出現(xiàn)或消失。）屆時(shí)，研究人員尋找的將不會(huì)是單個(gè)的引力子，而是存在于這些復(fù)雜假想粒子集合間的“長(zhǎng)程相關(guān)性”，它們能產(chǎn)生可觀測(cè)的特征。Zurek解釋說(shuō)，這些長(zhǎng)程的相關(guān)性就像時(shí)空海洋中更大的漣漪，而不是單個(gè)粒子駐留的泡沫。
Zurek等人認(rèn)為時(shí)空漲落可能會(huì)干擾光束。在他們?cè)O(shè)計(jì)的設(shè)備中，時(shí)空漲落能將一個(gè)光子踢出干涉儀的光束，接著他們就可以用單光子探測(cè)器來(lái)讀出時(shí)空擾動(dòng)。
一個(gè)L型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。| 圖片素材參考來(lái)源：[1]
涌現(xiàn)的時(shí)空
在弦理論中，有一個(gè)重要原則被稱為全息原理，它意味著如引力等三維現(xiàn)象，可以從平坦的二維表面顯現(xiàn)出來(lái)。全息原理意味著一個(gè)體積中的所有信息都可以被編碼在一個(gè)表面上。
更具體地說(shuō)，引力和時(shí)空可被認(rèn)為是從發(fā)生在二維表面的粒子糾纏中產(chǎn)生的。當(dāng)亞原子粒子跨越空間相互連接時(shí)，就會(huì)發(fā)生糾纏；這些粒子彼此之間沒(méi)有直接接觸，但卻可以被視作為一個(gè)單獨(dú)的整體。受到弦理論啟發(fā)的關(guān)于量子引力的現(xiàn)代觀點(diǎn)表明，時(shí)空和引力是由糾纏的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。在這種思維方式下，時(shí)空本身變成了由事物糾纏在一起的程度來(lái)定義。
在Zurek和Adhikari提出的實(shí)驗(yàn)中，他們的想法是對(duì)這個(gè)二維表面，或者被他們稱為“量子視界”的引力子漲落，進(jìn)行探測(cè)。他們解釋說(shuō)，引力和時(shí)空出現(xiàn)在量子視界之外。他們的實(shí)驗(yàn)將測(cè)量這個(gè)表面的模糊性。
這種模糊性代表了時(shí)空的像素化。如果實(shí)驗(yàn)成功，它將有助于從最基本、最深遠(yuǎn)的層面重新定義引力和空間的概念。
Adhikari說(shuō)：“如果我松開(kāi)咖啡杯它掉落到地上，我愿意認(rèn)為這是因?yàn)橐Α５?，就像溫度也不?真實(shí)的’，而只是對(duì)一堆分子如何振動(dòng)的描述一樣，時(shí)空可能也不是真實(shí)存在的東西。我們看見(jiàn)過(guò)成群的鳥(niǎo)和成群的魚(yú)進(jìn)行連貫、一致的運(yùn)動(dòng)，但它們實(shí)際上是由一只只動(dòng)物組成的。我們說(shuō)群體行為是涌現(xiàn)性的?？赡苁且?yàn)槲覀冞€不知道時(shí)空的核心是什么，所以時(shí)空像素化中產(chǎn)生的某種東西才被稱為引力?！?/div>
#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：
編譯：小雨
設(shè)計(jì)/排版：雯雯
#參考來(lái)源：
[2] https://magazine.caltech.edu/post/quantum-gravity
#圖片來(lái)源：
封面圖/首圖/插圖：原理
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