時空是怎麼產生的？

知識 06-16

1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，徹底改變了我們對時間、空間和引力的認識。愛因斯坦的理論中，引力被看作是時空的彎曲，並預言了引力可以彎曲光線，宇宙中存在著黑洞等等。

但是一個世紀過去之後，時空的本質卻仍是謎團：時空是怎麼產生的？為什麼時空的性質符合廣義相對論？微觀世界下時空和引力會是怎樣？物理學家現在還不知道真正的答案，不過他們似乎找到了一些線索。

時空是怎麼產生的？

時空編織物

想像一下，不斷放大時空，直到走進普朗克尺度（宇宙中的最小尺度，約為1.62×10-33厘米）下的時空，你會發現這裡的時空虛粒子對不斷產生，如同沸騰了一樣，而且這裡的空間結構是不確定的，不存在時間概念。許多物理學家認為，在這裡會有另一種我們目前還不能揭示的更為基本的東西浮現出來。

雖然還存在著爭議，不過許多物理學家認為更為基本的東西可能與一種被愛因斯坦稱為「鬼魅般的超距作用」有關。這種超距作用就是量子糾纏。

量子糾纏，就是兩個量子系統（一個粒子或一堆粒子）在經過短暫的彼此相互作用之後，單獨干擾其中任意一個系統，會不可避免地瞬時影響到另一個系統的性質，即使兩個系統之間可能相隔很長一段距離。如果用信息觀點來理解的話，我們可以說，如果你測量其中一個系統，你就會知道另一個系統的信息。也就是說，量子糾纏是量子信息的一種關聯性。

物理學家認為，一對糾纏粒子如同一個個零部件，它們之間再通過量子糾纏繼續粘合起來，形成一種連續光滑的網路結構，這樣，時空就誕生了。或者，如果把時空看作一種編織物的話，那麼糾纏粒子則是節點，量子糾纏則是絲線。

時空是怎麼產生的？

複雜的量子系統

物理學家有了這種概念後，下一步就是進行嚴格的論證，來看看究竟量子糾纏是怎麼編織出時空。不過問題就來了：研究包含多個物體的系統是一件十分複雜的事情，不管是經典系統還是量子系統。例如，經典系統里最為典型的例子就是「三體問題」。利用牛頓力學，你很容易計算諸如太陽和地球等兩個物體的運動情況，不過加入第三個物體，例如月球，就會把從可得到精確結果的問題變為一個完全混沌的問題，這樣長期的運動情況得需要極為強大的計算機才能得到近似的結果。如果再加入更多物體，問題會變得更為複雜。

量子系統的情況更加糟糕。想像一下，量子系統有數億個原子，而且每一個原子都根據複雜的量子力學公式與其他的原子相互作用。即使只考慮一塊只有100個原子的金屬，每個原子的自旋可以是向上和向下，那麼整個可能的狀態則為2100，或者大約為1030。只要再增加一個原子，可能的狀態就會增加一倍。所以，計算難度會隨著系統內的粒子數量呈爆炸形式增長，直接硬著頭皮去計算是行不通的。

另外還有一點就是，研究量子糾纏如何編織出時空，避免不了處理引力問題，因為時空的彎曲程度就是引力，但是目前一些能把量子力學和引力結合在一起的理論，即量子引力理論，其數學公式仍極為繁瑣，物理學家還無法直接求解出精確結果。那麼該怎麼辦呢？

解決複雜問題

最近，物理學家發現一種數學工具，有能力去計算複雜量子系統。這種數學工具就是張量網路。

張量其實是一種簡單的數學概念，它可以同時代表多個數值。例如，速度矢量是最為簡單的一種張量，它同時代表著速度的大小和運動方向。更為複雜的張量相互聯繫起來組成網路，可以表示一個複雜系統內的所有信息。物理學家不需要求解出所有的信息，只需要把需要的信息提取出來即可。形象地說，張量網路如同一個神秘的黑盒子，所有的東西都可裝進去，而且它可以吐出你所需要的東西。

有了數學工具，那麼下一步就是處理量子引力問題。解決的辦法與全息原理有關。

一張2維的全息照片包含所有3維物體的信息。同樣，一些物理學家認為，整個宇宙可能就是一張全息圖，描述整個3維宇宙的信息，可以編碼到一個2維表面上。可以這麼理解：想像一個2維的電腦晶元，它包含的代碼，可以模擬出一個完整的3維虛擬世界。我們就可能生活在一個3維虛擬世界之中，也就是說我們所體驗到的3維可能是一種幻覺。

1997年，阿根廷物理學家胡安·馬爾達西那發現，3維馬鞍形狀的宇宙模型里的一切性質，與一個2維平滑時空下的無引力的宇宙模型里的性質是完全一樣的。這種聯繫被物理學家稱為「對偶性」。這種對偶性如同一部翻譯機，可以把一個很難讀懂的外文，準確地翻譯為大家都能讀懂的語言。這樣，3維馬鞍形狀時空中的物理問題，就可以轉化為2維平滑時空下的物理問題，而且不需要處理引力。所以，物理學家可以利用這種對偶性繞開引力相關的計算。

時空的產生和破碎

問題都解決了，那麼我們就來看看量子糾纏是如何把時空編織起來的。

研究這個問題，其中的一個關鍵假設則是局域性原理。局域性原理指的是，一個粒子只與一個離它最近的粒子發生糾纏關係。形成糾纏關係後，這對糾纏粒子就是一個網路中的節點。節點再通過量子糾纏與其他的節點聯繫起來，這樣就組成了網路。

由量子糾纏所組成的網路有很多種，其中最為簡單又很實用的網路，叫做MERA（「多尺度糾纏重正化擬設」的縮寫）。我們具體來說一下。

想像在一個1維的直線上，存在著8個獨立的電子，分別稱為A、B、C、D、E、F、G和H。然後讓每一個電子與離它最近的電子構成糾纏關係：A與B糾纏，C與D糾纏，E與F糾纏，G與H糾纏；然後再使得AB與CD糾纏，EF與GH糾纏；最後，ABCD與EFGH糾纏。物理學家發現，隨著越來越多的量子糾纏的出現，時空的3維結構就會逐漸浮現出來。

那麼把糾纏逐漸拆開會怎樣？物理學家發現，把時空分為兩部分，並移除它們之間的糾纏關係，時空本身就會分裂為兩部分，就像不斷拉扯一塊麵糰，中間部位就會發生撕裂，最終麵糰會分裂為兩部分。如果繼續清除掉時空中各種量子糾纏，那麼時空就會變成微小的碎片，彼此之間不再有任何聯繫。所以說，如果去掉量子糾纏，那麼時空就會破碎開來。

現在，物理學家正在把研究對象從靜態的時空，轉到動態的時空，來研究時空如何隨著時間發生改變。到目前為止，物理學家已經成功地推演出了描述引力的愛因斯坦場方程，以及廣義相對論的假設之一——等效原理。等效原理，可以說是在相同的引力場中的不同物體受到的引力加速度都是相同的。這說明等效原理這種假設其實是來自於量子糾纏。

到目前為止，物理學家還只能在馬鞍形狀的時空中來研究時空構成問題。然而，我們所生活的宇宙並不是馬鞍形狀的時空，而是接近平坦的不斷膨脹的時空。物理學家希望今後能找到一種新的辦法，繞過繁瑣的數學，來研究我們所在的宇宙。

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