什么是时空构成的？

Natalie Paquette 花费时间思考如何扩展一个额外的维度。从小的圆圈开始，散布在空间和时间的每个点上——一个卷曲的维度，自身环绕。然后缩小这些圆圈，越来越小，收紧环，直到发生一种奇特的转变：这个维度不再显得微小，反而变得巨大，就像你意识到看起来又小又近的东西实际上又大又远一样。“我们正在缩小一个空间方向，”Paquette 说。“但是当我们试图将其缩小超过某个点时，一个新的、大的空间方向反而出现了。”

Paquette 是华盛顿大学的理论物理学家，她并非孤身一人思考这种奇异的维度嬗变。越来越多的物理学家，以不同的方法在不同的学科领域工作，正日益趋同于一个深刻的观点：空间——甚至可能包括时间——并非是基本的。相反，空间和时间可能是涌现的：它们可能源于自然界更基本组成部分的结构和行为。在最深层次的现实中，诸如“在哪里？”和“何时？”之类的问题可能根本没有答案。“我们从物理学中得到了很多暗示，我们所理解的时空并非基本的东西，”Paquette 说。

这些激进的观念来自于百年量子引力理论探索的最新进展。物理学家关于引力的最佳理论是广义相对论，阿尔伯特·爱因斯坦关于物质如何扭曲空间和时间的著名构想。他们关于其他一切的最佳理论是量子物理学，它在物质、能量和亚原子粒子的性质方面非常准确。这两个理论都轻松通过了物理学家在过去一个世纪中能够设计的所有测试。有人可能会认为，将它们结合起来，你就应该得到一个“万物理论”。

但这两个理论相处得并不融洽。向广义相对论询问量子物理学背景下会发生什么，你会得到矛盾的答案，无法控制的无穷大在你的计算中爆发。自然界知道如何在量子背景下应用引力——这发生在大爆炸的最初时刻，并且仍然发生在黑洞的中心——但我们人类仍在努力理解其中的奥秘。部分问题在于这两个理论处理空间和时间的方式。量子物理学将空间和时间视为不可变的，而广义相对论则将它们扭曲为早餐。

某种程度上，量子引力理论需要调和这些关于空间和时间的观点。一种方法是从源头上消除问题，即时空本身，让空间和时间从更基本的事物中涌现出来。近年来，几个不同的研究方向都表明，在最深层次的现实中，空间和时间的存在方式与我们在日常世界中体验到的方式不同。在过去的十年中，这些想法彻底改变了物理学家对黑洞的看法。现在研究人员正在利用这些概念来阐明更奇异的事物的工作原理：虫洞——时空中遥远点之间假设的隧道状连接。这些成功使人们对更深层次的突破保持希望。如果时空是涌现的，那么弄清楚它来自哪里——以及它如何从其他事物中产生——可能正是最终打开通往万物理论之门的缺失之钥。

弦乐二重奏中的世界

今天，在物理学家中最流行的量子引力候选理论是弦理论。根据这个想法，同名的弦是物质和能量的基本组成部分，产生了在世界各地粒子加速器中看到的无数基本亚原子粒子。它们甚至负责引力——一种传递引力的假设粒子，“引力子”，是该理论的必然结果。

但是弦理论很难理解——它存在于数学领域，物理学家和数学家花费了数十年才探索出来。该理论的大部分结构仍然是未知的，远征仍在计划中，地图仍有待绘制。在这个新领域，导航的主要技术是通过数学对偶性——一种系统和另一种系统之间的对应关系。

本文开头提到的对偶性就是一个例子，即微小维度和巨大维度之间的对偶性。弦理论认为，如果你试图将一个维度塞进一个小空间，你最终会得到一个数学上与该维度反而巨大的世界相同的世界。根据弦理论，这两种情况是相同的——你可以在它们之间自由来回切换，并使用一种情况下的技术来理解另一种情况是如何运作的。“如果你仔细跟踪理论的基本组成部分，”Paquette 说，“你有时会自然而然地发现你可能会扩展出一个新的空间维度。”

一个类似的对偶性向许多弦理论家暗示，空间本身是涌现的。这个想法始于 1997 年，当时普林斯顿高等研究院的物理学家胡安·马尔达西那发现了一种对偶性，即一种被称为共形场论 (CFT) 的、被充分理解的量子理论，与广义相对论中一种特殊的时空，即反德西特空间 (AdS) 之间的对偶性。这两个理论似乎截然不同——CFT 中没有任何引力，而 AdS 空间则包含了爱因斯坦的所有引力理论。然而，相同的数学可以描述这两个世界。当它被发现时，AdS/CFT 对偶性提供了一个量子理论和一个包含引力的完整宇宙之间的有形数学联系。

奇怪的是，AdS/CFT 对偶性中的 AdS 空间比量子 CFT 多了一个维度。但物理学家们喜欢这种不匹配，因为这是一个完全解决的例子，它来自于几年前荷兰乌得勒支大学的物理学家杰拉德·特·胡夫特和斯坦福大学的伦纳德·萨斯金德提出的另一种对应关系，称为全息原理。基于黑洞的一些特殊特征，特·胡夫特和萨斯金德怀疑空间区域的性质可能完全由其边界“编码”。换句话说，黑洞的二维表面将包含揭示其三维内部所需的所有信息——就像全息图一样。“我认为很多人认为我们疯了，”萨斯金德说。“两位优秀的物理学家变坏了。”

同样，在 AdS/CFT 对偶性中，四维 CFT 编码了与其相关的五维 AdS 空间的一切信息。在这个系统中，整个时空区域是由 CFT 中量子系统组件之间的相互作用构建而成的。马尔达西那将这个过程比作阅读小说。“如果你在一本书中讲述一个故事，书中的人物正在做某事，”他说。“但所有的东西都只是一行文字，对吧？人物在做什么是从这行文字中推断出来的。书中的人物就像体积[AdS]理论。而那行文字就是[CFT]。”

但是 AdS 空间中的空间从何而来？如果这个空间是涌现的，那么它又是从什么涌现出来的呢？答案是 CFT 中一种特殊且奇怪的量子相互作用：纠缠，物体之间的长距离连接，以统计上不可能的方式瞬间关联它们的行为。纠缠著名地困扰着爱因斯坦，他称之为“鬼魅般的超距作用”。

然而，尽管具有鬼魅性，纠缠却是量子物理学的核心特征。当任何两个物体在量子力学中相互作用时，它们通常会变得纠缠，并且只要它们与世界其他地方保持隔离，就会保持纠缠——无论它们可能相距多远。在实验中，物理学家已经保持了粒子之间超过 1000 公里的纠缠，甚至包括地面上的粒子和发送到轨道卫星上的粒子之间的纠缠。原则上，两个纠缠的粒子可以在星系或宇宙的另一侧保持它们的连接。距离似乎根本不影响纠缠，这是一个困扰许多物理学家数十年的难题。

但是，如果空间是涌现的，那么纠缠在长距离上持续存在的能力可能并不那么神秘——毕竟，距离是一种构建。根据普林斯顿大学的物理学家 Shinsei Ryu 和京都大学的 Tadashi Takayanagi 对 AdS/CFT 对偶性的研究，纠缠首先产生了 AdS 空间中的距离。AdS 侧对偶性上的任何两个相邻空间区域都对应于 CFT 的两个高度纠缠的量子组件。它们纠缠得越多，空间区域就越靠近。

我们是否会知道空间和时间的真实本质？

近年来，物理学家们开始怀疑这种关系可能也适用于我们的宇宙。“是什么将空间结合在一起并防止它分裂成独立的子区域？答案是空间两部分之间的纠缠，”萨斯金德说。“空间的连续性和连通性要归功于量子力学纠缠。”因此，纠缠可能支撑着空间的结构本身，形成产生世界几何形状的经纬线。“如果你能以某种方式破坏空间两部分之间的纠缠，空间就会分裂，”萨斯金德说。“它会做与涌现相反的事情。它会反涌现。”

如果空间是由纠缠构成的，那么量子引力之谜似乎更容易解决：与其试图以量子方式解释空间的扭曲，不如说空间本身是从根本的量子现象中涌现出来的。萨斯金德怀疑这就是量子引力理论一直难以找到的首要原因。“我认为它一直不太奏效的原因是因为它从两种不同事物的图景开始，[广义相对论]和量子力学，并将它们放在一起，”他说。“我认为关键是它们实际上联系太紧密了，无法分开然后再放回一起。没有脱离量子力学的引力这种东西。”

然而，解释涌现空间只是工作的一半。由于空间和时间在相对论中如此紧密地联系在一起，因此任何关于空间如何涌现的解释也必须解释时间。“时间也必须以某种方式涌现，”不列颠哥伦比亚大学的物理学家、纠缠和时空之间联系的先驱马克·范·拉姆斯唐克说。“但这还没有被很好地理解，并且是一个活跃的研究领域。”

他说，另一个活跃的领域是使用涌现时空模型来理解虫洞。以前，许多物理学家认为，即使在理论上，也不可能将物体通过虫洞发送出去。但在过去的几年中，研究 AdS/CFT 对偶性和类似模型的物理学家找到了构建虫洞的新方法。“我们不知道我们是否能在我们的宇宙中做到这一点，”范·拉姆斯唐克说。“但我们现在知道的是，某些类型的可穿越虫洞在理论上是可能的。”2016 年和 2018 年的两篇论文引发了该领域正在进行的一系列研究。但即使可以建造可穿越的虫洞，它们对于太空旅行也没有多大用处。正如萨斯金德指出的，“你不可能比[光]绕远路所需的时间更快地穿过那个虫洞。”

思考空间

如果弦理论家是正确的，那么空间是由量子纠缠构建的，时间也可能是这样。但这真的意味着什么呢？除非这些物体本身在某个地方，否则空间怎么可能“由”物体之间的纠缠“构成”呢？除非这些物体体验时间和变化，否则它们怎么可能变得纠缠呢？如果没有居住在真实的空间和时间中，事物会以何种方式存在？

这些问题正逼近哲学——事实上，物理哲学家正在认真对待它们。“时空怎么可能是可以涌现的那种东西？”伦敦国王学院的物理哲学家埃莉诺·诺克斯问道。她说，直觉上，这似乎是不可能的。但诺克斯不认为这是一个问题。“我们的直觉有时很糟糕，”她说。它们的“进化发生在非洲稀树草原上，与宏观物体、宏观流体和生物动物互动”，并且往往不会转移到量子力学的世界。当涉及到量子引力时，“‘东西在哪里？’和‘它住在哪里？’不是应该问的正确问题，”诺克斯总结道。

在日常生活中，物体确实生活在某个地方。但正如诺克斯和许多其他人指出的那样，这并不意味着空间和时间必须是基本的——只是它们必须可靠地从任何基本事物中涌现出来。日内瓦大学的物理哲学家克里斯蒂安·伍思里希说，以液体为例。“最终，它是基本粒子，如电子和质子和中子，或者更基本的，夸克和轻子。夸克和轻子有液体的性质吗？这根本没有意义，对吧？然而，当这些基本粒子足够多地聚集在一起并表现出某种共同行为时，那么它们的行为方式将像液体一样。”

伍思里希说，空间和时间在弦理论和其他量子引力理论中可能以相同的方式工作。具体而言，时空可能从我们通常认为生活在宇宙中的物质中涌现出来——物质和能量本身。“不是我们首先有空间和时间，然后我们添加一些物质，”伍思里希说。“相反，物质性的东西可能是空间和时间存在的必要条件。这仍然是一个非常紧密的联系，但这与你最初可能想到的方向相反。”

但还有其他方法可以解释最新的发现。AdS/CFT 对偶性通常被视为时空如何可能从量子系统中涌现出来的一个例子，但根据加州大学戴维斯分校的物理哲学家艾丽莎·内伊的说法，这可能实际上并非它所展示的。“AdS/CFT 为你提供了在关于时空的事实和量子理论的事实之间提供翻译手册的能力，”内伊说。“这与时空是涌现的，而某些量子理论是基本的说法相容。”但她说，反过来也是如此。这种对应关系可能意味着量子理论是涌现的，而时空是基本的——或者两者都不是基本的，并且存在一些更深层次的基本理论。内伊说，涌现是一个强有力的说法，她对它可能是真实的持开放态度。“但至少仅仅看 AdS/CFT，我仍然没有看到涌现的明确论据。”

对涌现时空弦理论图景的一个可以说更大的挑战隐藏在显眼的地方，就在 AdS/CFT 对偶性本身的名称中。“我们不生活在反德西特空间中，”萨斯金德说。“我们生活在更接近德西特空间的东西中。”德西特空间描述了一个加速膨胀的宇宙，很像我们自己的宇宙。“我们对[全息术]如何应用于那里一无所知，”萨斯金德总结道。弄清楚如何为更接近真实宇宙的空间建立这种对应关系是弦理论家最紧迫的问题之一。“我认为我们将能够更好地理解如何进入这种理论的宇宙学版本，”范·拉姆斯唐克说。

最后，还有来自最新粒子加速器的消息——或者说缺乏消息——它们没有发现超对称性预测的额外粒子的任何证据，超对称性是弦理论所依赖的一个想法。超对称性规定，所有已知的粒子都将拥有自己的“超伙伴”，使基本粒子的数量增加一倍。但日内瓦附近欧洲核子研究中心的强子对撞机，部分是为了寻找超伙伴而设计的，但没有看到任何迹象。“我们拥有的所有非常精确的[涌现时空]版本都在超对称理论中，”萨斯金德说。“一旦你没有超对称性，数学上跟踪方程的能力就会从你手中消失。”

时空原子

弦理论并不是唯一暗示时空是涌现的想法。宾夕法尼亚州立大学的物理学家阿拜·阿什特卡尔说，弦理论“未能兑现[其]作为统一引力和量子力学的一种方式的承诺”。“弦理论现在的力量在于提供了一套极其丰富的工具，这些工具已广泛应用于整个物理学领域。”阿什特卡尔是最流行的弦理论替代方案的最初先驱之一，即圈量子引力。在圈量子引力中，空间和时间不像广义相对论中那样平滑和连续。相反，它们是由离散的组件构成的——阿什特卡尔称之为“时空块或原子”。

这些时空原子连接在一个网络中，一维和二维表面将它们连接在一起，形成圈量子引力的实践者所称的自旋泡沫。尽管该泡沫仅限于二维，但它产生了我们的四维世界，具有三个空间维度和一个时间维度。阿什特卡尔将其比作一件衣服。“如果你看你的衬衫，它看起来像一个二维表面，”他说。“如果你只用放大镜观察，你就会立即看到它完全是一维的线。只是这些线非常密集地排列在一起，以至于在所有实际用途中，你可以认为衬衫是一个二维表面。因此，类似地，我们周围的空间看起来像一个三维连续体。但实际上是这些[时空原子]的纵横交错。”

尽管弦理论和圈量子引力都暗示时空是涌现的，但两种理论中的涌现类型不同。弦理论暗示时空（或至少是空间）是从看似无关的系统的行为中涌现出来的，以纠缠的形式。想想交通拥堵是如何从个体司机的集体决策中涌现出来的。汽车不是由交通制成的——汽车制造了交通。相比之下，在圈量子引力中，时空的涌现更像是倾斜的沙丘从风中沙粒的集体运动中涌现出来。平滑、熟悉的时空来自微小时空“颗粒”的集体行为；就像沙丘一样，颗粒仍然是沙子，即使块状、晶状的颗粒看起来或行为都不像起伏的沙丘。

尽管存在这些差异，但圈量子引力和弦理论都表明，时空是从某种潜在的现实中涌现出来的。它们并非唯一指向这个方向的量子引力理论。因果集理论是另一种量子引力理论的竞争者，它也认为空间和时间是由更基本的组件构成的。“真正引人注目的是，对于我们拥有的大多数合理的量子引力理论，在某种意义上，它们的信息是，是的，广义相对论时空不在基本层面，”诺克斯说。“当不同的量子引力理论至少在某些方面达成一致时，人们会非常兴奋。”

时间边缘的空间

现代物理学是其自身成功的受害者。由于量子物理学和广义相对论都非常准确，因此量子引力仅在描述极端情况时才需要，即当巨大的质量被塞进难以想象的微小空间时。这些条件仅存在于自然界中的少数几个地方，例如黑洞的中心——值得注意的是，不在物理实验室中，即使是最大和最强大的实验室也不例外。需要一个星系大小的粒子加速器才能直接测试自然界在量子引力统治条件下的行为。缺乏直接实验数据是科学家寻找量子引力理论持续如此之久的很大一部分原因。

面对证据的缺乏，大多数物理学家将希望寄托在天空上。在大爆炸的最初时刻，整个宇宙都非常小而稠密——这种情况的描述需要量子引力。而那个时代的余波可能仍然留在今天的空中。“我认为我们[测试量子引力]的最佳选择是通过宇宙学，”马尔达西那说。“也许宇宙学中我们现在认为无法预测的东西，一旦我们理解了完整的理论，或者一些我们甚至没有想到的新事物，也许就可以预测了。”

然而，实验室实验可能有助于间接测试弦理论。科学家们希望通过构建高度纠缠的原子系统，并在其行为中观察是否出现时空和引力的类似物，来研究 AdS/CFT 对偶性，而不是探测时空。马尔达西那说，这样的实验可能“具有引力的某些特征，尽管可能不是所有特征”。“这也取决于你到底称什么为引力。”

我们是否会知道空间和时间的真实本质？来自天空的观测数据可能不会很快到来。实验室实验可能会失败。正如哲学家们所知，关于空间和时间真实本质的问题确实非常古老。哲学家巴门尼德在 2500 年前说过：“存在之物现在都是结合在一起的，一，连续的。”“一切都充满了存在之物。”巴门尼德坚称时间和变化是幻觉，任何地方的一切都是一回事。他的学生芝诺创造了著名的悖论来证明他老师的观点，声称要证明在任何距离上的运动都是不可能的。他们的工作提出了时间和空间是否在某种程度上是虚幻的问题，这种令人不安的前景困扰了西方哲学超过两千年。

“古代希腊人问过诸如‘什么是空间？’‘什么是时间？’‘什么是变化？’之类的问题，而我们今天仍然在问这些问题的各种版本，这意味着他们问的是正确的问题，”伍思里希说。“正是通过思考这些问题，我们才对物理学有了很多了解。”