自从爱因斯坦以来，科学家们一直在挠头思考如何理解空间和时间。在此之前，几乎所有人都认为艾萨克•牛顿(Isaac Newton)已经把一切都弄明白了，宣称：时间“与任何外部事物都是平等流动的”，绝对空间也是它自己的东西，总是相似的，不可移动的。那儿没什么可看的。物理现实事件在一个中立的舞台上独立表演，演员们昂首阔步，焦躁不安，而不影响剧院的其他部分。但爱因斯坦的理论把牛顿绝对时空变成了相对论式的混搭——他的方程暗示了时空的融合，一种新的竞技场，玩家可以在其中改变赛场的空间。
我们“博科园”温馨提醒：阅读本文将开启你的大脑风暴，甚至存在短路的情况，请注意安全哦♪(^∇^*)！爱因斯坦改变了此前物理学的“游戏规则”，空间和时间不再为物质和能量提供毫无特色的背景。空间和时间从前是独立的、统一的，现在却变得不可分割、变化无常。正如爱因斯坦在他广义相对论中所展示的，物质和能量扭曲了它周围的时空。这个简单的事实解释了引力。牛顿的表观引力成为时空几何造成的一种错觉。正是时空的形状决定了大质量物体的运动，这是一种对称的正义，因为大质量物体决定了时空的形状。
对爱因斯坦时空革命的验证出现在一个世纪前，当时一次日食考察证实了广义相对论理论的主要预测(在一个巨大物体的边缘附近，光的精确弯曲量，在这个例子中是太阳)。但是时空仍然是神秘的，既然它是某种东西而不是什么都没有，自然就会想它是从哪里来的。基于上个世纪另一个伟大的物理学奇迹——量子力学的洞见，一场新的革命即将回答这个问题。今天的革命为时空的再一次改写提供了可能，或许还能解释为什么量子力学看起来如此怪异。
物理学家Brian Swingle在“凝聚态物理学年度评论”中写道：时空和引力最终必然来自其他东西。”否则，很难看到爱因斯坦的引力理论和量子力学数学如何调和它们长期以来的不相容。爱因斯坦把引力看作时空几何的表现形式的观点取得了巨大成功。量子力学也是如此，它准确无误地描述了物质和能量在原子尺度上的相互作用。然而，试图找到一种能让量子的奇异性与几何引力相适应的连贯数学，却遇到了巨大的技术和概念障碍。
至少对于理解普通时空的尝试来说，长期以来都是如此。但是，从对时空交替几何的理论研究中，我们找到了一条可能取得进展的线索。其中一种被称为反德西特空间(anti - de Sitter space)的交替空间，具有奇怪的弯曲性，而且倾向于自身坍缩，而不是像我们所生活的宇宙那样膨胀。那不是一个适合居住的地方。但作为一个研究量子引力理论的实验室，它能提供很多东西。马里兰大学的斯温格尔写道：量子引力非常丰富，令人困惑，就连“玩具”宇宙也能给物理学带来巨大启发！
例如，对反德西特空间的研究表明，描述引力(即时空几何)的数学可以等价于一个维度更小空间中的量子物理数学。想想全息图：一个包含三维图像的平面二维表面。以类似的方式，或许时空的四维几何可以被编码进运作在三维空间的量子物理数学中。或者你需要更多的维度——需要多少维度是需要解决的问题的一部分。无论如何，沿着这条线进行的研究揭示了一种令人惊讶的可能性：时空本身可能由量子物理学产生，特别是由量子纠缠这种令人困惑的现象产生。
正如人们普遍解释的那样，纠缠是一种令人毛骨悚然的连接，将相隔甚远的粒子连在一起。如果这些粒子是从一个共同的源发出的，那么无论它们彼此相距多远，它们仍然纠缠在一起。如果测量其中一个的特性(例如自旋或偏振)，那么您就知道相同的测量结果对于另一个会是什么。但在测量之前，这些性质还没有确定，这是一个被许多实验证实的违反直觉的事实。似乎一个地方的测量值决定了另一个遥远的地方的测量值。
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这听起来像是纠缠的粒子必须能够比光更快地交流，否则就无法想象其中一个如何知道另一个在浩瀚时空中发生了什么。但实际上他们根本不发送任何信息。那么，纠缠粒子是如何超越分隔它们的时空鸿沟的呢？也许答案是它们没有必要这样做——因为纠缠不会发生在时空中，纠缠了时空。至少，这是当前世界研究的启发，“时空和引力的出现是量子多体物理的一个神秘现象，我们想要了解时空和引力最终必然来自其他东西。几位顶尖物理学家的努力已经产生了理论证据，证明纠缠量子态网络编织了时空结构。
这些量子态常常被描述为“量子”——量子信息(像普通计算机部分，但现有的1和0，不是简单的1或0)。纠缠量子比特与几何建立网络与一个额外空间维度（额外维度）之外的量子比特的维数。所以量子位元的量子物理可以被等同于一个额外维度空间的几何。最重要的是，纠缠量子比特所创造的几何结构可能非常符合爱因斯坦广义相对论中描述引力运动的方程——至少最新的研究指向了这个方向。Swingle写道：显然，从纠缠中建立具有正确性质的几何必须遵守引力运动方程。
这一结果进一步证明时空起源于纠缠的说法是正确的。尽管如此，在具有额外维度宇宙中发现的线索，将会为普通时空带来一个真实的故事，在这个故事中，真正的物理学家昂首阔步，忧心忡忡。没有人真正确切地知道，现实世界中的量子过程负责编织时空的结构。也许到目前为止在计算中所作的一些假设会被证明是错误的。但也有可能，物理学正处于一种边缘，即将比以往任何时候都更深入地探究大自然的根基，探索一种包含着未知维度的时空(或视觉和声音)的存在，而这种未知维度最终可能会让“阴阳两极”变成现实电视节目。
博科园-科学科普｜文: Tom Siegfried/Real Clear science
参考期刊文献: 《knowable》
DOI: 10.1146/knowable-050319-1
发表于 2019-5-8 04:42
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