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时空是什么?

正文:

  物理学家笃信,在最微弱的尺度上,时空自量子中涌现出来。这些最基本的构成单元原形是什么样子的?

  喜欢因斯坦早在1916年就意料到了今日之逆境。此前一年他刚完善广义相对论,该理论认为,引力不是一栽在空间中传递的力,而是时空本身的一栽性质。当你向空中扔出一个球,它会落回地面,由于地球扭弯了周围的时空,使得球的行动路径再度和地面相交。在一封致友人的信中,喜欢因斯坦探讨了把广义相对论和他的另一个聪明结晶——眼前卫处雏形的量子力学结相符首来的难得之处。在这栽情况下,时空不光会被扭弯,还会变得一败涂地。他甚至不清新在数学上从何着手。信里,喜欢因斯坦写到:“吾给本身找了多大的麻烦!”

  喜欢因斯坦最后也没能更进一步。即便到今天,量子引力理论照样多说纷纭,钻研者几乎各执一词。争吵的硝烟袒护了一个主要的原形:所有候选理论都认为空间有更深层的首源——这与2500年来形而上学和科学对空间的理解云泥之别。

  深入黑洞

  用一幼块磁铁就能纤巧地演示物理学家面临的题目。磁铁能招架整个地球的引力把订书钉吸首来,响答了引力比磁力、电力和原子核内的核力都要弱。不论它有什么样的量子效答,都只会更弱。现在,能表明这些效答实在存在的唯一清晰证据,就是宇宙形成早期不均匀的物质分布模式,科学家认为,这栽形象片面是由引力场的量子涨落导致的。

  黑洞是测试量子引力的最佳试验场。马里兰大学帕克分校的特德·雅各布森(Ted Jacobson)说:“黑洞仅次于实验。”他和其他理论物理学家都将黑洞视为理论钻研的支点。把平时条件下走之有效的方程扔到一个吾们能想到的最为极端的环境中去,会发生什么?那些暗藏的弱点会不会袒露无遗?

  广义相对论预言,落入黑洞的物质在挨近中央的过程中会被无限压缩。黑洞的中央名为奇点。理论物理学家无法推想物体落入奇点之后的行动轨迹,它的时间线在那里闭幕了。甚至“那里”这个说法都是阻止确的,由于定义奇点位置的时空本身都不存在了。钻研者期待,量子引力能让吾们一窥奇点的结构,弄清落入其中的物质原形发生了什么。

  在黑洞边界之外,引力较弱,吾们所知的物理定律都答该照样有效。所以,当科学家认识到原形并非如此时,就更添疑心了。黑洞的边界被称为事件视界,跨过它的物质再也无法出来,旅程是单向不走反的。题目来了,吾们现在所知的基本物理定律,包括平时意义上的量子力学在内,都是可反的。起码在理论上,你能够反转所有粒子的行动,使其回到之前的状态。

  相通的疑心19世纪末的物理学家也曾碰到过,当时他们面对的题目是如何从数学上描述“黑体”,一个足够电磁辐射的理想空腔。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)的电磁理论预言云云的物体会汲取所有照射它的辐射,所以它永世无法与周围物质达成炎均衡。在炎力学中,这意味着它的温度是绝对零度,但这与实际不益看测不符。在马克斯·普朗克(Max Planck)钻研收获的启发下,喜欢因斯坦最后表明倘若能量以离散单位辐射的话,黑体就能够达到炎均衡状态,这个分立的能量单位被称为量子。

  为了找到适用于黑洞的相通解决方案,理论物理学家辛勤了近半个世纪。已故的剑桥大学物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在20世纪70年代中期向此现在的迈出了庞大一步,他将量子理论用于黑洞周围的辐射场,表明黑洞具有非零温度。云云一来,黑洞就不光向内汲取能量,还能够向外辐射能量。尽管霍金的分析将黑洞带回了炎力学的周围,但同时也让不走反题目变得更为厉肃,由于向外辐射的能量刚益产生于黑洞边界之外,所以异国携带任何相关黑洞内部的新闻,仅仅是随机炎能。倘若你将整个过程反转,让辐射出的能量流回黑洞,之前落入黑洞的物质也不会从内里冒出来,你只会得到更多炎能而已。同时你也不及浅易地认为那些物质仍在黑洞之中,只是无法逃走罢了,由于随着向外辐射能量,黑洞会不息缩短,最后湮灭殆尽。

  这个题目被称为新闻悖论,由于黑洞会抹除落入其中的粒子所携带的所有新闻,让你无法反演它们的行动。倘若黑洞物理学是可反的,那肯定要有东西向张扬递新闻,这能够意味着吾们的时空不益看念必要有所转折。

  时空的原子

  炎就是物体微不益看成分的随机行动,比如气体平分子的行动。由于黑洞的温度能提高或降矮,一个相符理的推想是它答该有内部组分,或者用更正式的说法,具有微不益看结构。同时,由于黑洞只是空无一物的空间,其内部组分只能是空间本身的组分。尽管辽阔空旷的空间望似极为浅易,但其中却潜在着众多的复杂性。就算你只是寻求一个保留传统时空不益看的理论,末了也会发现通俗无奇的外外之下黑潮涌动。例如在20世纪70年代后期,史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)尝试用与其他自然基本作用力相通的手段描述引力,效果照样发眼前空在最细微的尺度上展现了根本性的转折。

  物理学家最初将微不益看空间想象成由幼块空间拼成的马赛克。他们认为,倘若吾们把世界的画面放大,直到能望清普朗克尺度,即10-35米,就会望到像棋盘相通的结构。但这肯定不太正确,题目之一是,棋盘的网格线规定了一些稀奇的倾向,由此会产生一些违背狭义相对论的偏差称性。比如,分别颜色的光会有分别的传播速度,就像在棱镜中相通,这会让光分解成分别颜色的成分。尽管这些效答平时都很难探测,但只要违背了相对论,其影响最后都会彰显。

图片来源:QuantaMagazine图片来源:QuantaMagazine

  黑洞炎力学给上述浅易马赛克化的时空图像带来了更多疑问。理论上,吾们能够议决测量肆意一个体系的炎力学走为来计算其内部组分的数目。给体系增补一些能量然后不益看察温度计,倘若温度跃升,那么增补的能量必定是分摊给了相对较少的分子。实际上,吾们正在测量的是体系的熵,它代外了体系微不益看状态的复杂水平。

  倘若你对平时物质进走上述操作,会发现分子数与物质的体积成正比。这是理所自然的:倘若你把一个气球的半径扩大到原本的10倍,则内里的分子数会增补到1000倍。但倘若你将一个黑洞的半径扩大到10倍,则其中的分子数只会增补到100倍,也就是说构成黑洞的“分子”数目不是正比于黑洞的体积,而是正比于其外貌积。尽管黑洞望上去是三维的,但它外现的却像一个二维物体。这栽稀奇的效答被称为全息原理,由于它让人联想到全息照片。尽管仍有人持有分别不益看点,但无数物理学家都认为全息原理实在能计算空间及其内容物的微不益看组分数目,倘若实在如此,那么时空的构建必定不是把碎片拼接首来那么浅易。

  其实,新闻中心片面与集体之间的相关从来就不是那么浅易。比如水分子就不是一幼份水,想想液态水具有的性质:它能够起伏,形成水滴,荡首悠扬,凝结成冰,沸腾成气,而一个单独的水分子却相通都做不到,由于这些是大量分子的集体走为。与此相通,空间的构成基元也纷歧定是空间,德国马普引力物理钻研所的达妮埃尔·奥利迪(Daniele Oriti)说:“时空的原子并非最幼块的时空。它们是空间的基本组分,但空间的几何性质不是单个原子的性质,而是一个由大量原子构成的体系的崭新的、集体的、近似的性质。”

  至于这些构成时空的基本组分原形是什么,则取决于详细的理论。在圈量子引力中,它们是议决量子效答荟萃首来的体积量子。在弦论中,它们是相通电磁场的一栽场,存在于一个行动的能量束或能量圈——也即所谓的弦——的外貌。在与弦论相关的M理论中,它们是一栽稀奇的粒子:一张缩成一点的膜。在因果荟萃理论中,它们是由因果交织首来的网络。而振幅多面体(amplituhedron )及其他理论则十足不必要它们,起码不必要平时意义上的基本组分。

  尽管这些理论的构造原理各不相通,但它们都以某栽手段尽力维系着德国形而上学家戈特弗里德·莱布尼茨(Gottfried Leibniz)挑出的相关论(relationalism)。平时而言,相关论认为空间源自物体之间特定的相关。依照这栽望法,空间就像是一张大拼图,你从一大堆碎片最先,寻觅它们之间的相关,将之安放于正确的位置。倘若两块碎片具有相通的性质,比如颜色相近,它们的位置就能够比较挨近,反之,倘若两块碎片迥异太大,你就会直觉地将它们睁开。物理学家平时将这些相关外述为以特定手段连接的网络。相关由量子理论或其他理论决定,而空间排布则由这些相关决定。

  这些理论中另一个常见的元素是相变。倘若空间能够被构成,那能够同样能被解构,解构之后,空间的基本组分答该会构造成一些望上去十足不是空间的东西。“就像水有气固液三态,空间的原子也能够议决自身重组形成分别的相,” 印度大私塾际天文与天体物理中央的塔努·帕德马纳班(Thanu Padmanabhan)注释道。依照这栽不益看点,黑洞能够是空间发生相变的地方。在那里已知的物理学失效,但某个更添通用的理论能够能够描述新的相中原形发生了什么。即便空间闭幕,物理学仍将不息。

  纠缠之网

  近年来,理论上最主要的突破,在于发现上述相互相关还包括量子纠缠。行为量子力学内禀的一栽超强的相关性,纠缠望上去比空间还要更为基本。比如,在实验中,科学家能够制造出两个粒子,然后让它们相互远隔,倘若这两个粒子是相互纠缠的,那么不论相隔多远它们都如联相符体。

  传统上当人们谈到“量子”引力,指的都是量子不不息性、量子涨落等教科书上常见的量子效答,几乎从不包括量子纠缠。但黑洞的添入让这一致改不益看了。黑洞终其一生,都在不息吞噬纠缠中的粒子,但在黑洞挥发湮灭后,这些粒子留在黑洞外的友人犹如就和“空无一物”纠缠在一首了,“霍金答该把他的发现称为纠缠题目,”俄亥俄州立大学的萨米尔·马瑟(Samir Mathur)说。

  即使在异国粒子的真空中,电磁场及其他场也存在内在的纠缠。倘若你在两个分别位置测量这些场,得到的效果会随机但融合地涨落。与之相通,倘若你把一个区域分成两块,这两块之间会相互相关,相关水平取决于它们之间唯统统享的几何量:交界区域的大幼。1995年雅各布森挑出,量子纠缠把物质及其周围的时空几何相关在了一首,也就是说纠缠能够能注释引力定律,他挑出:“更多的纠缠意味着更弱的引力,亦即更平直的时空。”

  现在有数栽量子引力理论都将纠缠视为解决题目的关键。弦论不光将全息原理用于黑洞,甚至还用于整个宇宙,由此得到了一个创造空间的手段。比如,用场能够缝制一个二维空间,只要构造得法,就能产生一个额外的空间维度。原本的二维空间则充当了这个更为汜博的区域,即所谓“体”空间的边界。而纠缠则负责将体空间编织成一个厉密的集体。

  2009年,英属哥伦比亚大学的马克·范拉姆斯东克(Mark Van Raamsdonk)对上述过程做了一个精妙的论述。倘若边界上的场异国纠缠,那它们就会形成一对无相关的体系,这对答两个相互阻隔的宇宙,二者之间无法去来。当体系发生纠缠,就益比有了一个通道,或者说虫洞,将两个宇宙连接首来。纠缠水平越高,两个宇宙就越挨近,直至望上去融为一体。“大周围时空的涌现,与这些场论解放度之间的纠缠是直接相关在一首的,”范拉姆斯东克总结道。吾们现在不益看察到的电磁场和其他场的相关,正是那些纠缠留下的遗迹。

  除了处处连通,空间的许多其他性质也都折射出纠缠的影子。范拉姆斯东克和马里兰大学的布赖恩·斯温格尔(Brian Swingle)挑出,纠缠的远大存在还能够注释引力的普适性,即为何它无处不在而且无法屏蔽。斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)和普林斯顿高等钻研院的胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)则认为,黑洞和它发出的辐射之间的纠缠会制造出虫洞,挑供一个进出黑洞的后门。这能够能解决新闻悖论,保证黑洞物理学也是可反的。

  尽管这些弦论中的空间理论只对稀奇几何有效,而且只能构建出单一的空间维度,一些钻研者已经最先尝试注释整个空间如何从零起师长成的。例如添州理工学院的曹春军、斯皮里宗·米哈拉基斯(Spyridon Michalakis)和肖恩·M·卡罗尔(Sean M。 Carroll)从一个体系最矮限度的量子描述起程,尝试不直接涉及时空,甚至不直接涉及物质来构建空间。只要具备正确的相关模式,这个体系就能够被分割成一系列组分,而这些组分可被视为分别的时空区域。在这个模型中,纠缠水平定义了空间距离。

  在物理学,以及整个自然科学中,空间和时间是所有理论的基础。但吾们从未直接不益看测时空,只是从平时经验中推想出它的存在。为了省事,吾们倘若望到的所有形象都是时空中某栽机制的效果。但量子引力从一路先就通知吾们,并非所有形象都能够与时空相符得天衣无缝。物理学家必要找到新的基础结构,到当时,一个多世纪之前由喜欢因斯坦开创的变革才能真实落下帷幕。

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posted @ 20-06-22 02:06  作者:admin  阅读量:

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