人们一直认为空间是理所当然的。毕竟，它只是空虚，是万物的背景。同样，时间也在不停地流逝。但是，如果物理学家从漫长的理论统一之路上学到了什么，那就是空间和时间构成了一个极其复杂的系统，它可能会超出我们最热切的理解努力。
早在1916年11月，阿尔伯特·爱因斯坦就预见到了这一点。一年前，他提出了广义相对论，该理论假设引力不是在空间中传播的力，而是时空本身的特征。当你把球高高抛向空中时，它会呈弧线落回地面，这是因为地球扭曲了周围的时空，从而使球和地面的路径再次相交。在一封给朋友的信中，爱因斯坦思考了将广义相对论与他的另一个心血结晶——新兴的量子力学理论——相结合的挑战。那不仅会扭曲空间，还会瓦解空间。在数学上，他几乎不知道从何开始。“我已经在这方面折磨自己多久了！”他写道。
爱因斯坦从未取得多大进展。即使在今天，关于量子引力理论的竞争性想法也几乎与研究该主题的科学家一样多。争议掩盖了一个重要的真相：相互竞争的方法都认为空间是从更深层次的东西衍生出来的——这种观点打破了2500年的科学和哲学理解。
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坠入黑洞
厨房磁铁巧妙地展示了物理学家面临的问题。它可以抓住回形针，抵抗整个地球的引力。引力比磁力、电力或核力都弱。它所具有的任何量子效应都更弱。这些过程发生的唯一有形证据是早期宇宙中物质的斑驳图案——据认为，部分原因是引力场的量子涨落造成的。
黑洞是量子引力的最佳测试案例。“这是我们最接近实验的东西，”马里兰大学帕克分校的泰德·雅各布森说。他和其它理论家研究黑洞作为理论支点。当您采用在实验室条件下运行良好的方程式并将它们外推到最极端的可能情况时，会发生什么？会显现出一些细微的缺陷吗？
广义相对论预测，落入黑洞的物质在接近中心时会被无限压缩——这是一个被称为奇点的数学死胡同。理论家无法将物体的轨迹外推到奇点之外；它的时间线在那里结束。甚至谈论“那里”也是有问题的，因为定义奇点位置的时空本身就不复存在。研究人员希望量子理论能够将显微镜聚焦在该点上，并追踪落入其中的物质会变成什么。
在黑洞的边界之外，物质没有那么压缩，引力较弱，并且按理说，已知的物理定律应该仍然成立。因此，它们不成立就更加令人费解了。黑洞以事件视界为界，这是一个不归点：落入其中的物质无法再出来。下降是不可逆转的。这是一个问题，因为所有已知的基本物理定律，包括通常理解的量子力学定律，都是可逆的。至少在原则上，您应该能够反转所有粒子的运动并恢复您拥有的东西。
在19世纪后期，当物理学家思考“黑体”的数学时，他们也面临着非常相似的难题，“黑体”被理想化为一个充满电磁辐射的空腔。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁理论预测，这样的物体会吸收所有照射到它的辐射，并且它永远无法与周围的物质达到平衡。“它会从保持在固定温度的储热器中吸收无限量的热量，”安大略省 Perimeter 理论物理研究所的拉斐尔·索金解释说。从热学的角度来看，它的温度实际上将是绝对零度。这个结论与对真实黑体（例如烤箱）的观测结果相矛盾。在马克斯·普朗克工作的基础上，爱因斯坦证明，如果辐射能以离散单元或量子形式出现，黑体就可以达到热平衡。
理论物理学家们近半个世纪以来一直试图为黑洞实现类似的解决方案。剑桥大学已故的斯蒂芬·霍金在1970年代中期迈出了巨大一步，当时他将量子理论应用于黑洞周围的辐射场，并表明它们具有非零温度。因此，它们不仅可以吸收能量，还可以辐射能量。尽管他的分析将黑洞纳入了热力学范畴，但它加深了不可逆性的问题。外向辐射从黑洞边界之外发出，并且不携带有关内部的信息。它是随机的热能。如果您反转该过程并将能量反馈回去，那么落入其中的东西不会弹出来；您只会获得更多的热量。而且您无法想象原始物质仍然在那里，只是被困在黑洞内部，因为随着黑洞辐射能量，它会缩小，并且根据霍金的分析，最终会消失。
这个问题被称为信息悖论，因为黑洞破坏了有关入射粒子的信息，这些信息本可以让你倒转它们的运动。如果黑洞物理学真的是可逆的，那么一定有什么东西将信息带回出来，而我们对时空的概念可能需要改变以允许这种情况发生。
时空原子
热是微观部分的随机运动，例如气体的分子。由于黑洞会变热和冷却，因此有理由认为它们有部分——或者更笼统地说，是微观结构。而且由于黑洞只是空的空间（根据广义相对论，入射物质会穿过视界但无法停留），因此黑洞的部分一定是空间本身的部分。正如一片空旷的空间可能看起来那样普通，它却具有巨大的潜在复杂性。
即使是旨在保留传统时空概念的理论，最终也得出结论，在看似平淡无奇的外表之下，隐藏着某种东西。例如，在1970年代后期，现任德克萨斯大学奥斯汀分校的史蒂文·温伯格试图以与自然界的其他力大致相同的方式来描述引力。他仍然发现，时空在其最精细的尺度上被彻底地修改了。
物理学家最初将微观空间可视化为小块空间的马赛克。他们认为，如果您放大到普朗克尺度，即几乎无法想象的小尺寸 10−35 米，您会看到类似棋盘的东西。但这不可能完全正确。首先，棋盘空间的网格线会使某些方向优先于其他方向，从而产生与狭义相对论相矛盾的不对称性。例如，不同颜色的光可能会以不同的速度传播——就像在玻璃棱镜中一样，玻璃棱镜将光折射成其组成颜色。虽然小尺度上的效应通常很难看到，但违反相对论实际上会相当明显。
黑洞的热力学进一步质疑了将空间视为简单马赛克的图像。通过测量系统的热行为，您至少在原则上可以计算其部分。倒入能量并观察温度计。如果温度骤升，则该能量必须分布在相对较少的分子上。实际上，您正在测量系统的熵，它代表了系统的微观复杂性。
如果您对普通物质进行此练习，则分子的数量会随着材料的体积而增加。这是理所当然的：如果您将沙滩球的半径增加10倍，那么内部的分子的数量将增加1000倍。但是，如果您将黑洞的半径增加10倍，则推断出的分子数量仅增加100倍。构成它的“分子”的数量必须与它的表面积成正比，而不是与它的体积成正比。黑洞可能看起来是三维的，但实际上，它的行为就好像它是二维的一样。
这种奇怪的效应被称为全息原理，因为它让人联想到全息图，全息图向我们展示为一个三维物体。然而，仔细检查后，它原来是由二维胶片产生的图像。如果全息原理计算空间及其内容的微观组成部分——正如物理学家普遍（尽管并非普遍）接受的那样——那么构建空间一定比拼接小块空间需要更多。
无论如何，部分与整体的关系很少如此简单。一个 H2O 分子不仅仅是一小块水。考虑一下液态水的作用：它流动，形成液滴，携带涟漪和波浪，以及冻结和沸腾。单个 H2O 分子都不能做到这些：这些是集体行为。同样，空间的构成要素不必是空间的。“空间的原子不是空间的最小部分，”德国慕尼黑路德维希·马克西米利安大学的丹尼尔·奥里蒂说。“它们是空间的组成部分。空间的几何特性是由许多此类原子组成的系统的新颖的、集体的、近似的特性。”
这些构成要素究竟是什么取决于理论。在圈量子引力中，它们是通过应用量子原理聚合的体积量子。在弦理论中，它们是类似于电磁场的场，存在于移动的能量弦或环所描绘的表面上——这就是命名为弦的原因。在与弦理论相关并可能成为其基础的M理论中，它们是一种特殊类型的粒子：收缩成点的膜。在因果集理论中，它们是通过因果关系网相关的事件。在振幅面体理论和其它一些方法中，根本没有构成要素——至少在任何传统意义上都没有。
尽管这些理论的组织原则各不相同，但所有理论都努力坚持17和18世纪德国哲学家戈特弗里德·莱布尼茨的所谓关系主义的某种版本。广义而言，关系主义认为空间是从物体之间某种关联模式中产生的。在这种观点中，空间就像一个拼图游戏。您从一大堆碎片开始，看看它们是如何连接的，并相应地放置它们。如果两个碎片具有相似的属性，例如颜色，则它们可能彼此靠近；如果它们差异很大，则可以尝试将它们分开很远。物理学家通常将这些关系表示为一个具有特定连接模式的网络。这些关系由量子理论或其它原则决定，空间排列随之而来。
相变是另一个共同主题。如果空间是组装起来的，它也可能被拆解；那么它的构成要素可能会组织成看起来完全不像空间的东西。“就像您有物质的不同相，例如冰、水和水蒸气一样，空间的原子也可以在不同的相中重新配置自己，”印度大学天文与天体物理学中心的塔努·帕德马纳班说。在这种观点中，黑洞可能是空间融化的地方。已知的理论崩溃了，但更一般的理论将描述新阶段发生的事情。即使空间到达尽头，物理学也会继续进行。
纠缠网络
近年来的重大认识——也是跨越旧学科界限的认识——是相关的关系涉及量子纠缠。纠缠是一种超强类型的关联，是量子力学固有的，它似乎比空间更原始。例如，实验人员可能会创建两个向相反方向飞行的粒子。如果它们是纠缠的，那么无论它们相距多远，它们都保持协调。
传统上，当人们谈论“量子”引力时，他们指的是量子离散性、量子涨落以及书中几乎所有其它量子效应——但从不包括量子纠缠。当黑洞迫使这个问题出现时，情况发生了变化。在黑洞的生命周期中，纠缠的粒子会落入其中，但在黑洞完全蒸发后，它们在外部的伙伴会与——虚无纠缠。“霍金应该称之为纠缠问题，”俄亥俄州立大学的萨米尔·马图尔说。
即使在真空中，周围没有粒子，电磁场和其它场也是内部纠缠的。如果您在两个不同的位置测量场，您的读数将以随机但协调的方式抖动。如果您将一个区域分成两部分，则这两部分将是相关的，相关程度取决于它们共有的唯一几何量：它们的界面面积。1995年，雅各布森认为，纠缠提供了物质的存在与时空几何之间的联系——也就是说，它可能解释引力定律。“更多的纠缠意味着更弱的引力——也就是说，更刚硬的时空，”他说。
几种量子引力方法——尤其是弦理论——现在将纠缠视为至关重要。弦理论不仅将全息原理应用于黑洞，而且还应用于整个宇宙，为如何创造空间——或至少是其中的一部分——提供了配方。例如，二维空间可以被场穿过，当场以正确的方式构建时，会生成额外的空间维度。原始的二维空间将充当更广阔领域（称为体空间）的边界。而纠缠是将体空间编织成一个连续整体的东西。
2009年，不列颠哥伦比亚大学的马克·范·拉姆斯多克为这个过程提出了一个优雅的论证。假设边界处的场没有纠缠——它们形成一对不相关的系统。它们对应于两个独立的宇宙，彼此之间没有旅行的方式。当系统变得纠缠时，就好像在这些宇宙之间打开了一条隧道或虫洞，宇宙飞船可以从一个宇宙飞到另一个宇宙。随着纠缠程度的增加，虫洞的长度会缩短，将宇宙拉近在一起，直到您甚至不再将它们称为两个宇宙。“大型时空的出现与这些场论自由度的纠缠直接相关，”范·拉姆斯多克说。当我们观察到电磁场和其它场中的关联时，它们是束缚空间的纠缠的残留物。
除了它的连续性之外，空间的许多其它特征也可能反映出纠缠。范·拉姆斯多克和现在在马里兰大学的布莱恩·斯温格认为，纠缠的普遍性解释了引力的普遍性——引力影响所有物体并且无法被屏蔽。至于黑洞，斯坦福大学的伦纳德·萨斯金德和新泽西州普林斯顿高等研究院的胡安·马尔达西那认为，黑洞与其发出的辐射之间的纠缠创造了一个虫洞——通往黑洞的后门入口。这可能有助于保留信息并确保黑洞物理学是可逆的。
虽然这些弦理论思想仅适用于特定的几何形状，并且仅重建了空间的单个维度，但一些研究人员试图解释整个空间如何从头开始涌现。例如，马里兰大学的曹春军和加州理工学院的斯派里登·米哈拉基斯和肖恩·M·卡罗尔从系统的极简量子描述开始，该描述的制定没有直接参考时空甚至物质。如果它具有正确的关联模式，则该系统可以分裂成可以识别为时空不同组成部分的部分。在这个模型中，纠缠程度定义了空间距离的概念。
在物理学中，更普遍地在自然科学中，空间和时间是所有理论的基础。然而，我们从未直接看到时空。相反，我们从日常经验中推断出它的存在。我们假设我们看到的现象的最经济的解释是在时空内运行的某种机制。但量子引力的最终教训是，并非所有现象都完全适合时空。物理学家将需要找到一些新的基础结构，当他们这样做时，他们将完成一个多世纪前由爱因斯坦开始的革命。
本文是特别报道“科学中最大的问题”的一部分，由卡夫利奖赞助。它由大众科学和自然编辑独立制作，他们对所有编辑内容负全部责任。