時空是像素化的嗎？

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：Whiteny Clavin，翻譯：張一

對量子引力特征的研究取得進展

從遠處看到的沙丘看起來光滑無皺，就像鋪在沙漠上的絲綢床單一樣。但越近的審視揭示出的細節(jié)越多。接近沙丘時，你可能會注意到沙中的波紋；觸及表面，你會發(fā)現(xiàn)顆顆沙粒。數(shù)字圖象也是如此：表面上完美的肖像放到足夠大，就會發(fā)現(xiàn)構(gòu)成圖象的無數(shù)不同的像素點。

宇宙本身可能同樣像素化。加州理工學(xué)院物理學(xué)教授拉納?阿迪卡里（Rana Adhikari）等人認為，我們所在的空間可能不是完全光滑的，而是由極小的離散單元組成。“時空像素是如此之小，以至于你將它放大成一粒沙子的大小的話，原子就會大如星系。”他說。

阿迪卡里和世界各地的物理學(xué)家都在尋找這種像素化，因為它是我們這個時代最深奧的物理學(xué)謎題之一 —— 量子引力的一個預(yù)言。量子引力是指一套理論，包括弦論在內(nèi)，旨在將廣義相對論掌控的引力宏觀世界與量子物理學(xué)的微觀世界統(tǒng)一起來。這一謎題的核心是引力及其所在的時空是否可以被“量子化”（quantized），或者被分解成單個組分，這是量子世界的標志。

“有時在科學(xué)傳播中存在一種誤解，暗示量子力學(xué)和引力是不可調(diào)和的?！奔又堇砉W(xué)院理論物理學(xué)教授克里福德?張（Clifford Cheung）說，“但從實驗可知，我們可以在這個有引力的星球上從事量子力學(xué)，很明顯它們是一致的。麻煩在于關(guān)于黑洞的微妙問題，或者試圖在非常短的距離尺度上統(tǒng)一它們?！?/p>

“引力是一幅全息圖?！?/p>

—— 莫妮卡?康（Monica Jinwoo Kang）

由于問題涉及的尺度極小，一些物理學(xué)家認為在可見的將來找到量子引力的證據(jù)是一項不可能完成的任務(wù)。盡管研究人員已經(jīng)提出了如何找到其存在線索的各種想法 —— 在黑洞周圍；在早期宇宙中；甚至使用 LIGO，即美國國家科學(xué)基金資助的探測引力波的天文臺 —— 但還沒有人在自然界中發(fā)現(xiàn)任何量子引力的蛛絲馬跡。

理論物理學(xué)教授凱瑟琳?祖里克（Kathryn Zurek）希望改變這種狀況。她最近成立了一個新的多機構(gòu)合作團隊，由海辛-西蒙斯（Heising-Simons）基金會資助，研究如何觀測量子引力的信號。該項目名為“量子引力及其觀測信號（Quantum Gravity and Its Observational Signatures，QuRIOS）”，它將熟悉量子引力形式工具但沒什么實驗設(shè)計經(jīng)驗的弦論家與粒子理論家，以及精于實驗卻不從事量子引力工作的模型構(gòu)建者組織起來。

“可能找到量子引力的可觀察特征的想法與主流相去甚遠。”她說，“但是，如果不開始關(guān)注將量子引力與我們生活的自然界聯(lián)系起來的方法，我們將迷失在沙漠中。從擁有觀察性特征的角度來思考，可以將我們這些理論家聯(lián)系在一起，并幫助我們在新的問題上取得進展?！?/p>

作為合作的一部分，祖里克將與實驗人員阿迪卡里合作設(shè)計一種使用臺式儀器的新實驗。這項名為“源于時空量子糾纏的引力”（Gravity from Quantum Entanglement of Space-Time ，GQuEST）的實驗，將能夠探測出的不是單個時空像素本身，而是那些產(chǎn)生可觀察特征的像素之間的聯(lián)系。阿迪卡里將這種搜索比作調(diào)諧老式電視機。

“在我的成長歲月，我們收不到 NBC（美國全國廣播公司）的節(jié)目，就會試著調(diào)整頻道。但大多數(shù)時候，我們只會看到像素的雪花。我們知道，那些雪花的一部分來自宇宙微波背景（cosmic microwave background），或宇宙誕生之時，但如果你剛好調(diào)到峰值，就可以看到太陽風(fēng)暴和其他信號的雪花。這就是我們努力在做的事：仔細地收聽那些雪花或時空的波動。我們將研究雪花的起伏是否以與我們的量子引力模型一致。這一想法可能是錯的，但我們必須嘗試?！?/p>

一副新的宇宙藍圖

量子引力難題的破解將是物理學(xué)最偉大的成就之一，它可以和研究人員想要統(tǒng)一的兩種理論相提并論。愛因斯坦的廣義相對論重塑了我們的宇宙觀，表明空間和時間可以被認為是一個連續(xù)體 —— 時空，它響應(yīng)物質(zhì)而彎曲。按照廣義相對論，引力不過是時空的曲率。

第二種理論 —— 量子力學(xué) —— 描述了宇宙中除引力之外的其他三種已知力：電磁力，弱核力和強核力。量子力學(xué)的一個典型特征是，這些力可以被量子化為離散的波包或粒子。例如，電磁力的量子化導(dǎo)致一種被稱為光子（photon）的粒子，它構(gòu)成了光。光子在微觀尺度的幕后工作，以傳遞電磁力。雖然電磁場在我們習(xí)以為常的大尺度上看上去連續(xù)，但當(dāng)你放大去看，它會因光子而變得“顛簸不平”。那么量子引力的核心問題即是：時空是否也會在最小的尺度上變成充滿泡沫的粒子海洋，還是像波瀾不興的湖面一樣光滑如鏡？物理學(xué)家普遍相信，在最小的尺度上，引力也應(yīng)是顛簸的；這些磕絆是被稱為引力子（graviton）的假設(shè)粒子。但是，當(dāng)物理學(xué)家使用數(shù)學(xué)工具來描述引力如何在極小尺度上從引力子中產(chǎn)生時，這套東西就散架了。

“數(shù)學(xué)上變得不可能，產(chǎn)生了諸如無窮大這樣荒謬的答案，而非應(yīng)有的有限數(shù)字。這意味著哪里肯定出錯了?！备ダ椎?卡弗里理論物理和數(shù)學(xué)教授、沃爾特?伯克理論物理研究所所長大栗博司（Hirosi Ooguri）說，“人們并不十分了解建立一個一致的理論框架來統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)是多么困難。這似乎是不可能的，但我們有弦論。”

底層的琴弦

許多物理學(xué)家會同意弦論是迄今為止最完整和最可能的量子引力理論。它描述了一個 10 維的宇宙，其中 6 個維度蜷縮不見，其余 4 個構(gòu)成空間和時間。正如它的名字一樣，該理論假設(shè)在最基本的層面上，宇宙中的所有物質(zhì)都是由微小的弦組成。就像一把小提琴，琴弦以不同的頻率或音符共振，每個音符對應(yīng)于一個獨特的粒子，如電子或光子。其中一個音符對應(yīng)于引力子。

哈羅德?布朗（Harold Brown）理論物理學(xué)榮休（Emeritus）教授約翰?施瓦茨（John Schwarz）是最早意識到弦論彌合量子世界和引力之間鴻溝的力量的人之一。在 1970 年代，他和同事喬?舍爾克（Jo?l Scherk）使用弦論的數(shù)學(xué)工具來描述強力。然而他們意識到，如果他們改變方向，理論的劣勢可能會變成優(yōu)勢。

“我們沒有堅持構(gòu)建強力理論，而是接受了這個美麗的理論，并自問這有何好處?！笔┩叽脑?2018 年的一次采訪中說，“事實證明，它對引力大有裨益。我們倆都沒有研究過引力。它并非我們特別感興趣的東西，但我們發(fā)現(xiàn)這個理論很難描述強力，而會導(dǎo)致（描述）引力。一旦意識到這一點，我就知道在余下的職業(yè)生涯中我將會做什么了?！?/p>

結(jié)果表明，與其他力相比，引力是個奇葩?！耙κ俏覀兯淖钊醯牧??！贝罄醪┧窘忉屨f?！罢驹趧谌鹕↙auritsen）大樓的四樓，引力沒有把我拉過地板的原因是，在混凝土內(nèi)部有電子和原子核支撐著我。所以，電場戰(zhàn)勝了引力?！?/p>

然而，雖然強力在越來越短的距離上減弱，但引力變得越來越強?！斑@些弦有助于軟化這種高能行為，”大栗博司說，“能量分散在一根弦里?！?/p>

量子引力的桌面實驗檢驗

弦論的挑戰(zhàn)不僅在于使其與我們?nèi)粘５牡湍苁澜绫３忠恢拢谟谌绾螜z驗它。為了觀察在極小的時空尺度上 —— 這時它被理論化為顆粒性的 —— 會發(fā)生什么，實驗就要深入到所謂的普朗克長度的距離，即 10^-35 米數(shù)量級。為了達到這樣極端的尺度，科學(xué)家必須建造一個同樣極端的探測器。阿迪卡里說，“一種方法是制造太陽系大小的東西，以此尋找量子引力的特征。但這實在太過昂貴，而且需要數(shù)百年的時間！”相反，祖里克表示，研究人員可以利用小得多的實驗來研究量子引力的各個方面?！皩τ谖覀兲岢龅牡湍軐嶒灒恍枰艺摰恼麄€機制?！彼f，“與弦論相關(guān)的理論發(fā)展為我們提供了一些工具以及定量的理解，正是量子引力中預(yù)期為真的?！?/p>

祖里克、阿迪卡里及其同事提出的實驗方案側(cè)重于量子引力的效應(yīng)，這些效應(yīng)可以在 10^-18 米這樣更易管控的尺度上觀察到。這仍然非常小，但使用極其精確的實驗室儀器潛在上是可行的。

“時空像素是如此之小，如果你把它放大到一粒沙子那么大，那么原子就會和星系一樣大。”

—— 拉納?阿迪卡里（Rana Adhikari）

這些桌面實驗就像迷你 LIGO：在垂直方向上發(fā)射兩束激光束的 L 形干涉儀。兩束激光從鏡子上反射，并在出發(fā)處相遇。在 LIGO 的情形是，引力波會拉伸和壓縮空間，從而影響激光相遇的時間。量子引力實驗將尋找一種不同類型的時空漲落，這種漲落由引力子組成，引力子在被一些人稱為量子或時空的泡沫中突然出現(xiàn)和消失（由于量子漲落，光子和其他量子粒子也會突然出現(xiàn)和消失）。研究人員并非尋找單獨的引力子，而是要搜尋這些假設(shè)的粒子復(fù)雜集合間的“長程關(guān)聯(lián)”（long-range correlations）導(dǎo)致的可觀測特征。祖里克解釋說，這些長程聯(lián)系就像時空海洋中那些較大的波紋，而不是單個粒子所在的多孔泡沫。

“我們認為時空漲落的存在可能會擾動（激光）光束?！彼f，“我們想設(shè)計一種裝置，在其中時空波動會將一個光子踢出干涉儀激光束，然后我們使用單光子探測器來讀取這時的時空擾動?！?/p>

涌現(xiàn)的時空

“引力是一幅全息圖（hologram）?！奔又堇砉W(xué)院舍曼?菲爾柴爾德（Sherman Fairchild）理論物理博士后莫妮卡?康（Monica Jinwoo Kang）在解釋全息原理（holographic principle）時說。全息原理是祖里克模型的一個關(guān)鍵原則。這個原理是在 1990 年代利用弦論實現(xiàn)的，它意味著諸如引力等三維現(xiàn)象，可以從平坦的二維表面涌現(xiàn)（emerge）出來?？到忉屨f，“全息原理意味著某樣事物體積內(nèi)的所有信息都被編碼于表面上?！?/p>

更具體地說，引力和時空是從二維表面上發(fā)生的粒子糾纏（entanglement）中涌現(xiàn)的。亞原子粒子跨越空間發(fā)生糾纏；粒子作為一個單一實體，彼此之間并無直接接觸，有點像一群椋鳥。“受弦論啟發(fā)的量子引力的現(xiàn)代觀點表明，時空和引力脫胎于量子糾纏的網(wǎng)絡(luò)（networks of entanglement）。沿著這一思路，時空本身是某事物的糾纏程度定義的。”康說。

“如果不開始關(guān)注將量子引力與我們生活的自然界聯(lián)系起來的方法，我們將迷失在沙漠中。” — 凱瑟琳?祖里克

在祖里克和阿迪卡里提出的實驗中，他們的思路是探測這個二維表面，或他們所說的“量子視界”（quantum horizon），以尋找引力子的漲落。他們解釋說，引力和時空從量子視界中涌現(xiàn)?！拔覀兊膶嶒瀸y量這個表面的模糊性?！弊胬锟苏f。

這種模糊性將代表時空的像素化（pixelation of spacetime）。如果實驗成功，它將有助于在最基本、最深的層面上重新定義我們關(guān)于引力和空間的概念。

“如果我松開咖啡杯，它會掉下去，我想這就是引力?！卑⒌峡ɡ镎f，“但是，就像溫度不是“真實的”，而是描述了一堆分子如何振動一樣，時空也許不是一個真實的東西。我們看到鳥群和魚群成群地進行一致的運動，但它們實際上是由單個動物組成的。我們稱群體行為是涌現(xiàn)的。同樣，從時空像素化中產(chǎn)生的某種東西恰好被賦予了引力這個名字，因為我們還不明白時空的內(nèi)核是什么?！?/p>

本文譯自 Quantum Gravity: The Quest for the Pixelation of Space — Caltech Magazine

原文鏈接：https://magazine.caltech.edu/ post / quantum-gravity

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