什么是时间和空间?

2020-06-18 10:57 来源:环球科学

物理学家认为,在最小的尺度上,时空自量子网格定义了一些特殊的方向,这将导致一些与狭义相对论相反的不对称。例如,不同颜色的光会有不同的传播速度,就像在棱镜里一样。扩增体多面体和其他理论根本不需要它们,至少不需要一般意义上的基本成分。

虽然这些理论的组织原则不同,但它们都尽力以某种方式维护德国哲学家戈特弗里德莱布尼茨提出的关系论。一般来说,关系理论认为空间起源于物体之间的特定关系。根据这种观点,空间就像一个大拼图。你从许多片段开始,找到它们之间的联系,并把它们放在正确的地方。如果两块有相似的属性,如相似的颜色,它们的位置可能相对接近,而如果两块太不一样,你会直观地把它们分开。物理学家通常将这些关系描述为以特定方式连接的网络。关系是由量子理论或其他理论决定的,而空间排列是由这些关系决定的。

这些理论

近年来,理论上最重要的突破在于发现上述相互关系也包括量子纠缠。作为量子力学固有的超强相关性,纠缠似乎比空间更基本。例如,在一个实验中,科学家可以制造两个粒子,并使它们彼此远离。如果这两个粒子相互纠缠,不管它们相距多远,它们都是一样的。

传统上,当人们谈论“量子”引力时,他们指的是教科书中常见的量子效应,如量子不连续性和量子涨落,而且几乎从不包括量子纠缠。但是黑洞的加入改变了这一切。黑洞一生都在吞噬纠缠在一起的粒子,但在黑洞蒸发消失后,它们留在黑洞外面的伙伴似乎与“什么都没有”纠缠在一起。霍金应该称他的发现为纠缠问题,”俄亥俄州立大学的萨米尔马图尔说。

即使在没有粒子的真空中,电磁场和其他场也是天生纠缠在一起的。如果你在两个不同的位置测量这些场,结果会随机而和谐地波动。同样,如果将一个区域分成两部分,这两部分将相互关联,关联程度取决于它们之间共享的唯一几何量:边界区域的大小。雅各布森在1995年提出,量子纠缠将物质与其周围的时空几何联系起来,也就是说,纠缠可以解释万有引力定律。他提出:“更多的纠缠意味着更弱的引力,也就是更直的时空。”

目前,一些量子引力理论认为纠缠是解决这个问题的关键。弦理论不仅将全息原理应用于黑洞,还应用于整个宇宙,从而获得了一种创造空间的方法。例如,场可以缝合一个二维空间,只要构造得当,它可以创建一个额外的空间维度。原始的二维空间作为这个更广阔区域的边界,即所谓的“体积”空间。纠缠负责将身体空间编织成一个紧凑的整体。

2009年,不列颠哥伦比亚大学的马克范拉姆斯东克对上述过程做了微妙的阐述。假设边界上的场没有纠缠,它们将形成一对不相关的系统,它们对应于两个相互隔离的宇宙,并且不能相互通信。当系统纠缠在一起时,就像有一个通道,或虫洞,连接两个宇宙。纠缠度越高,两个宇宙越接近,直到它们看起来合并。“大规模时空的出现与这些场论自由度之间的纠缠直接相关,”范拉姆斯登克总结道。电磁场和我们现在观察到的其他场之间的相关性是这些纠缠的遗产。

除了无处不在的连通性之外,空间的许多其他属性也反映了纠缠的影子。马里兰大学的范拉姆斯东克和布莱恩斯旺格勒提出,纠缠的普遍存在也可以解释引力的普遍性,也就是说,为什么它无处不在并且不能被屏蔽。斯坦福大学的李奥纳特苏士侃和普林斯顿高等研究所的胡安马尔达西那认为,黑洞和它发出的辐射之间的纠缠创造了一个虫洞,并提供了一个进出黑洞的后门。这可能解决信息悖论,并确保黑洞物理学是可逆的。

虽然这些弦理论中的空间理论只适用于特殊的几何,并且只能构造一个单一的空间维度,但是一些研究者已经开始试图解释整个空间是如何从零开始生成的。例如,加州理工学院的曹春军、斯皮里宗米恰拉基斯和肖恩卡罗尔。卡罗尔)从系统的最小量子描述开始,试图在不直接涉及时空甚至物质的情况下构建空间。只要有一个正确的相关模式,系统可以被分成一系列的组成部分,这些组成部分可以被视为不同的时空区域。在这个模型中,纠缠度定义了空间距离。

空间和时间是所有物理理论和整个自然科学的基础。然而,我们从未直接观察过时间和空间。我们只能从日常经验中推断出它的存在。为了省事,我们假设我们看到的所有现象都是时间和空间中某种机制的结果。然而,量子引力从一开始就告诉我们,并非所有的现象都能完美地匹配时间和空间。物理学家需要找到一种新的基础设施,到那时,爱因斯坦在一个多世纪前发起的变革就可以真正结束了。