許多研究人員認(rèn)為，只有能夠解釋空間和時(shí)間從哪里來(lái)，物理學(xué)才是真正完整的。圖片來(lái)源：《自然》
“想象一下有一天你醒來(lái)，意識(shí)到自己生活在一個(gè)電腦游戲中?！奔幽么鬁馗缛A不列顛哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家Mark Van Raamsdonk說(shuō)。這聽(tīng)起來(lái)像是科幻電影，但是對(duì)他來(lái)說(shuō)，這個(gè)場(chǎng)景是思考現(xiàn)實(shí)的一種方法。如果這是真實(shí)的，他說(shuō)：“我們周圍的所有東西——整個(gè)三維物理世界——就是別處一個(gè)二維芯片的編碼信息所產(chǎn)生的幻覺(jué)。”這將使我們的宇宙及其三維空間成為僅存在于低維度中的基質(zhì)所投射出的全息圖。
即使從理論物理學(xué)的一般標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，這種“全息原理”也是很奇特的。不過(guò)有一小部分研究人員認(rèn)為這還不夠奇特，Van Raamsdonk是其中之一。Van Raamsdonk和同事認(rèn)為，只有能夠解釋空間和時(shí)間從哪里而來(lái)，物理學(xué)才是完整的。如此激進(jìn)地對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行概念重建，是解釋黑洞中心無(wú)限致密的“奇點(diǎn)”扭曲了時(shí)空結(jié)構(gòu)，以及研究人員如何統(tǒng)一原子級(jí)的量子理論與星球級(jí)的廣義相對(duì)論的唯一方法。
“所有的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，我們不應(yīng)該擁有兩個(gè)截然不同的現(xiàn)實(shí)概念——必然存在一個(gè)可以包羅萬(wàn)象的宏大理論?！泵绹?guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的物理學(xué)家Abhay Ashtekar如是說(shuō)。
尋找這個(gè)宏大的理論是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。《自然》雜志介紹了一些有前景的研究路線，以及關(guān)于如何驗(yàn)證這些概念的新觀點(diǎn)。
萬(wàn)有引力與熱力學(xué)
有什么證據(jù)可以說(shuō)明確實(shí)有比空間和時(shí)間更基礎(chǔ)的東西呢？一些令人興奮的線索來(lái)自于20世紀(jì)70年代初期的一系列驚人發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，量子力學(xué)、引力與熱力學(xué)、熱科學(xué)之間的緊密聯(lián)系變得清晰起來(lái)。
1974年，英國(guó)劍橋大學(xué)的斯蒂芬·霍金展示了黑洞周圍空間中的量子效應(yīng)會(huì)引起其釋放輻射，就像其有很高熱量一樣。其他物理學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象十分普遍。即使在完全真空的空間里，正在進(jìn)行加速的宇航員會(huì)感覺(jué)到自己好像在進(jìn)行熱浴一樣。如果量子理論和廣義相對(duì)論是正確的，并被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，那么霍金所說(shuō)的輻射的存在似乎是不可避免的。
第二個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與其密切相關(guān)。在標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)中，一個(gè)物體只有通過(guò)減少熵（內(nèi)部量子態(tài)數(shù)量）才能釋放熱能。黑洞也是如此，但有所差異。在大多數(shù)物體中，熵與物體所含的原子數(shù)量及其體積成一定比例。但是一個(gè)黑洞的熵卻與其視界的表面積成比例。似乎其表面可以對(duì)內(nèi)部信息進(jìn)行編碼，正如二維全息圖是對(duì)三維圖像的編碼一樣。
1995年，美國(guó)馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家Ted Jacobson發(fā)現(xiàn)，其中的數(shù)學(xué)關(guān)系用廣義相對(duì)論的方程可以解釋，但使用的是熱力學(xué)概念，而不是彎曲時(shí)空的想法。2010年，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的弦理論學(xué)家Erik Verlinde表示，時(shí)空的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)可以自動(dòng)生成牛頓的萬(wàn)有引力定律。印度校際天文和天體物理學(xué)中心的宇宙學(xué)家Thanu Padmanabhan則發(fā)現(xiàn)，愛(ài)因斯坦的方程可以用另一種方式表達(dá)，從而與熱力學(xué)法則相一致。
驗(yàn)證這些想法極其困難，但并不是不可能。驗(yàn)證時(shí)空是否由離散成分構(gòu)成的一個(gè)常被提及的方式是，在高能光子從像超新星和γ射線爆發(fā)等遙遠(yuǎn)的宇宙事件中前往地球時(shí)，尋找其是否存在延遲。短波光子感受到的離散性會(huì)使其路途崎嶇不平，從而稍微放緩速度。今年4月，意大利羅馬大學(xué)的量子引力科學(xué)家Giovanni Amelino-Camelia和同事發(fā)現(xiàn)γ射線爆發(fā)所釋放的光子出現(xiàn)了這樣的延遲現(xiàn)象。結(jié)果并不明確，但是研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃擴(kuò)大其搜索范圍，觀察宇宙事件產(chǎn)生的高能中微子的旅行時(shí)間。
圈量子引力理論
即使上述設(shè)想是正確的，但熱力學(xué)理論并沒(méi)有告知我們空間和時(shí)間的基本成分是什么。如果時(shí)空是一種織物，那么它的線是什么呢？
其中一個(gè)可能的答案相當(dāng)書(shū)面化。圈量子引力理論是在20世紀(jì)80年代中期由Ashtekar和其他科學(xué)家發(fā)展起來(lái)的，它將時(shí)空描述成蜘蛛網(wǎng)，包含著各種信息。其中每一條線最終都會(huì)頭尾相連形成循環(huán)，其攜帶的信息定義了它們周圍的時(shí)空織物的形狀。
然而，由于這些循環(huán)是量子物體，它們也遵循普通量子力學(xué)在氫原子中為電子定義最小基態(tài)能量的方式，定義了最小單位區(qū)域。若試圖向其中插入攜帶更小區(qū)域的線，該條額外的線就會(huì)與網(wǎng)絡(luò)的其他部分失去聯(lián)系。
2006年，Ashtekar和同事報(bào)告了利用這一事實(shí)進(jìn)行的一系列模擬，使用圈量子引力理論使時(shí)鐘倒轉(zhuǎn)，并觀察在宇宙大爆炸之前發(fā)生了什么。今年，烏拉圭大學(xué)的物理學(xué)家Rodolfo Gambini和美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)的Jorge Pullin報(bào)告了其對(duì)黑洞進(jìn)行的相似模擬。他們發(fā)現(xiàn)，在黑洞中心并不存在奇點(diǎn)，而是存在一個(gè)可進(jìn)入空間另一部分的細(xì)小的時(shí)空隧道。
圈量子引力理論并不是一個(gè)完整的統(tǒng)一理論，因?yàn)樗鼪](méi)有包含其他任何力。此外，物理學(xué)家還未發(fā)現(xiàn)普通時(shí)空如何在這個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)。不過(guò)，德國(guó)馬普學(xué)會(huì)的物理學(xué)家Daniele Oriti希望在凝聚態(tài)物理學(xué)家的工作中找到一些靈感。Oriti和同事正在尋找公式，用以描述宇宙如何進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從一組離散的循環(huán)轉(zhuǎn)化成平坦、連續(xù)的時(shí)空。
因果集理論
在其他理論上的挫折使一些科學(xué)家開(kāi)始追求極簡(jiǎn)主義的因果集理論。相關(guān)研究由加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究院的物理學(xué)家Rafael Sorkin領(lǐng)銜，該理論假定時(shí)空的基石只是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)點(diǎn)，由鏈接相連，每個(gè)鏈接都從過(guò)去指向未來(lái)。這種聯(lián)系是因果關(guān)系的簡(jiǎn)單表示，意味著早期的點(diǎn)會(huì)影響后來(lái)的點(diǎn)，反之則不成立。由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)就像一棵不斷成長(zhǎng)的樹(shù)，逐漸構(gòu)建起時(shí)空。
20世紀(jì)80年代末，Sorkin使用其框架測(cè)量了可觀察到的宇宙所包含的點(diǎn)的數(shù)量，并推論得出，它們產(chǎn)生的小的內(nèi)在能量引起了宇宙的加速爆炸。幾年之后，暗能量的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了他的猜想?！叭绻的芰康闹蹈螅蛘邽榱?，因果集理論就會(huì)被排除?！庇?guó)帝國(guó)理工學(xué)院的量子引力研究員Joe Henson如是說(shuō)。
因果動(dòng)態(tài)三角剖分
然而，因果集理論并沒(méi)有提供其他可以被證實(shí)的預(yù)測(cè)。一些物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，使用計(jì)算機(jī)模擬可以獲得更多成果。20世紀(jì)90年代初，一種想法開(kāi)始發(fā)展——粗略估計(jì)量子漲落時(shí)獲得的構(gòu)成普通時(shí)空、呈小集合狀的未知基本成分，并觀察這些小集合如何自發(fā)聚集成較大的結(jié)構(gòu)。
荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)的物理學(xué)家Renate Loll表示，最初的努力令人失望。時(shí)空的構(gòu)建塊只是簡(jiǎn)單的錐形，而且模擬的聚集規(guī)則使其可以自由結(jié)合，結(jié)果形成了一系列奇異的“宇宙”，有過(guò)多或者過(guò)少的維度，自身發(fā)生重疊或者變成碎片?！斑@是一場(chǎng)混亂的實(shí)驗(yàn)，最終并沒(méi)有形成任何我們所看到的宇宙的樣子?！?/strong>
