时空是像素化的吗？

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时空是像素化的吗？

时空是像素化的吗？就如同看一副数字图片，当被放大很多倍后，我们能看到一块一块的像素点。如果时空在极小尺度是量子化的——充满泡沫的粒子海洋，引力和其他粒子从中涌现，我们或许能发现海面的涟漪——量子引力的可观察特征。这是目前理论物理学家提出解决量子引力的一个方案，并且准备进行实验检验。

撰文 | 惠特尼·克莱文（Whiteny Clavin）

翻译 | 张一

对量子引力特征的研究取得进展

从远处看到的沙丘看起来光滑无皱，就像铺在沙漠上的丝绸床单一样。但越近的审视揭示出的细节越多。接近沙丘时，你可能会注意到沙中的波纹；触及表面，你会发现颗颗沙粒。数字图象也是如此：表面上完美的肖像放到足够大，就会发现构成图象的无数不同的像素点。

宇宙本身可能同样像素化。加州理工学院物理学教授拉纳·阿迪卡里（Rana Adhikari）等人认为，我们所在的空间可能不是完全光滑的，而是由极小的离散单元组成。“时空像素是如此之小，以至于你将它放大成一粒沙子的大小的话，原子就会大如星系。”他说。

阿迪卡里和世界各地的物理学家都在寻找这种像素化，因为它是我们这个时代最深奥的物理学谜题之一——量子引力的一个预言。量子引力是指一套理论，包括弦论在内，旨在将广义相对论掌控的引力宏观世界与量子物理学的微观世界统一起来。这一谜题的核心是引力及其所在的时空是否可以被“量子化”（quantized），或者被分解成单个组分，这是量子世界的标志。

“有时在科学传播中存在一种误解，暗示量子力学和引力是不可调和的。”加州理工学院理论物理学教授克里福德·张（Clifford Cheung）说，“但从实验可知，我们可以在这个有引力的星球上从事量子力学，很明显它们是一致的。麻烦在于关于黑洞的微妙问题，或者试图在非常短的距离尺度上统一它们。”

“引力是一幅全息图。”

——莫妮卡·康（Monica Jinwoo Kang）

由于问题涉及的尺度极小，一些物理学家认为在可见的将来找到量子引力的证据是一项不可能完成的任务。尽管研究人员已经提出了如何找到其存在线索的各种想法——在黑洞周围；在早期宇宙中；甚至使用 LIGO ，即美国国家科学基金资助的探测引力波的天文台——但还没有人在自然界中发现任何量子引力的蛛丝马迹。

理论物理学教授凯瑟琳·祖里克（Kathryn Zurek）希望改变这种状况。她最近成立了一个新的多机构合作团队，由海辛-西蒙斯（Heising-Simons）基金会资助，研究如何观测量子引力的信号。该项目名为“量子引力及其观测信号（Quantum Gravity and Its Observational Signatures，QuRIOS）”，它将熟悉量子引力形式工具但没什么实验设计经验的弦论家与粒子理论家，以及精于实验却不从事量子引力工作的模型构建者组织起来。

“可能找到量子引力的可观察特征的想法与主流相去甚远。”她说，“但是，如果不开始关注将量子引力与我们生活的自然界联系起来的方法，我们将迷失在沙漠中。从拥有观察性特征的角度来思考，可以将我们这些理论家联系在一起，并帮助我们在新的问题上取得进展。”


拉纳·阿迪卡里（左）和凯瑟琳·祖里克（右）。丨图片来源：Lance Hayashida/Caltech

作为合作的一部分，祖里克将与实验人员阿迪卡里合作设计一种使用台式仪器的新实验。这项名为“源于时空量子纠缠的引力”（Gravity from Quantum Entanglement of Space-Time ，GQuEST）的实验，将能够探测出的不是单个时空像素本身，而是那些产生可观察特征的像素之间的联系。阿迪卡里将这种搜索比作调谐老式电视机。

“在我的成长岁月，我们收不到 NBC（美国全国广播公司）的节目，就会试着调整频道。但大多数时候，我们只会看到像素的雪花。我们知道，那些雪花的一部分来自宇宙微波背景（cosmic microwave background），或宇宙诞生之时，但如果你刚好调到峰值，就可以看到太阳风暴和其他信号的雪花。这就是我们努力在做的事：仔细地收听那些雪花或时空的波动。我们将研究雪花的起伏是否以与我们的量子引力模型一致。这一想法可能是错的，但我们必须尝试。”

一副新的宇宙蓝图

量子引力难题的破解将是物理学最伟大的成就之一，它可以和研究人员想要统一的两种理论相提并论。爱因斯坦的广义相对论重塑了我们的宇宙观，表明空间和时间可以被认为是一个连续体——时空，它响应物质而弯曲。按照广义相对论，引力不过是时空的曲率。

第二种理论——量子力学——描述了宇宙中除引力之外的其他三种已知力：电磁力，弱核力和强核力。量子力学的一个典型特征是，这些力可以被量子化为离散的波包或粒子。例如，电磁力的量子化导致一种被称为光子（photon）的粒子，它构成了光。光子在微观尺度的幕后工作，以传递电磁力。虽然电磁场在我们习以为常的大尺度上看上去连续，但当你放大去看，它会因光子而变得“颠簸不平”。那么量子引力的核心问题即是：时空是否也会在最小的尺度上变成充满泡沫的粒子海洋，还是像波澜不兴的湖面一样光滑如镜？物理学家普遍相信，在最小的尺度上，引力也应是颠簸的；这些磕绊是被称为引力子（graviton）的假设粒子。但是，当物理学家使用数学工具来描述引力如何在极小尺度上从引力子中产生时，这套东西就散架了。

“数学上变得不可能，产生了诸如无穷大这样荒谬的答案，而非应有的有限数字。这意味着哪里肯定出错了。”弗雷德·卡弗里理论物理和数学教授、沃尔特·伯克理论物理研究所所长大栗博司（Hirosi Ooguri）说，“人们并不十分了解建立一个一致的理论框架来统一广义相对论和量子力学是多么困难。这似乎是不可能的，但我们有弦论。”


大栗博司 (Hiroshi Ooguri)丨图片来源：Brandon Hook/Caltech

底层的琴弦

许多物理学家会同意弦论是迄今为止最完整和最可能的量子引力理论。它描述了一个 10 维的宇宙，其中 6 个维度蜷缩不见，其余 4 个构成空间和时间。正如它的名字一样，该理论假设在最基本的层面上，宇宙中的所有物质都是由微小的弦组成。就像一把小提琴，琴弦以不同的频率或音符共振，每个音符对应于一个独特的粒子，如电子或光子。其中一个音符对应于引力子。

哈罗德·布朗（Harold Brown）理论物理学荣休（Emeritus）教授约翰·施瓦茨（John Schwarz）是最早意识到弦论弥合量子世界和引力之间鸿沟的力量的人之一。在 1970 年代，他和同事乔·舍尔克（Joel Scherk）使用弦论的数学工具来描述强力。然而他们意识到，如果他们改变方向，理论的劣势可能会变成优势。

“我们没有坚持构建强力理论，而是接受了这个美丽的理论，并自问这有何好处。”施瓦茨在 2018 年的一次采访中说，“事实证明，它对引力大有裨益。我们俩都没有研究过引力。它并非我们特别感兴趣的东西，但我们发现这个理论很难描述强力，而会导致（描述）引力。一旦意识到这一点，我就知道在余下的职业生涯中我将会做什么了。”

结果表明，与其他力相比，引力是个奇葩。“引力是我们所知的最弱的力。”大栗博司解释说。“站在劳瑞森（Lauritsen）大楼的四楼，引力没有把我拉过地板的原因是，在混凝土内部有电子和原子核支撑着我。所以，电场战胜了引力。”

然而，虽然强力在越来越短的距离上减弱，但引力变得越来越强。“这些弦有助于软化这种高能行为，”大栗博司说，“能量分散在一根弦里。”

量子引力的桌面实验检验

弦论的挑战不仅在于使其与我们日常的低能世界保持一致，更在于如何检验它。为了观察在极小的时空尺度上——这时它被理论化为颗粒性的——会发生什么，实验就要深入到所谓的普朗克长度的距离，即 10^-35 米数量级。为了达到这样极端的尺度，科学家必须建造一个同样极端的探测器。阿迪卡里说，“一种方法是制造太阳系大小的东西，以此寻找量子引力的特征。但这实在太过昂贵，而且需要数百年的时间！”相反，祖里克表示，研究人员可以利用小得多的实验来研究量子引力的各个方面。“对于我们提出的低能实验，不需要弦论的整个机制。”她说，“与弦论相关的理论发展为我们提供了一些工具以及定量的理解，正是量子引力中预期为真的。”

祖里克、阿迪卡里及其同事提出的实验方案侧重于量子引力的效应，这些效应可以在 10^-18 米这样更易管控的尺度上观察到。这仍然非常小，但使用极其精确的实验室仪器潜在上是可行的。

“时空像素是如此之小，如果你把它放大到一粒沙子那么大，那么原子就会和星系一样大。”

——拉纳·阿迪卡里（Rana Adhikari）

这些桌面实验就像迷你 LIGO ：在垂直方向上发射两束激光束的 L 形干涉仪。两束激光从镜子上反射，并在出发处相遇。在 LIGO 的情形是，引力波会拉伸和压缩空间，从而影响激光相遇的时间。量子引力实验将寻找一种不同类型的时空涨落，这种涨落由引力子组成，引力子在被一些人称为量子或时空的泡沫中突然出现和消失（由于量子涨落，光子和其他量子粒子也会突然出现和消失）。研究人员并非寻找单独的引力子，而是要搜寻这些假设的粒子复杂集合间的“长程关联”（long-range correlations）导致的可观测特征。祖里克解释说，这些长程联系就像时空海洋中那些较大的波纹，而不是单个粒子所在的多孔泡沫。

“我们认为时空涨落的存在可能会扰动（激光）光束。”她说，“我们想设计一种装置，在其中时空波动会将一个光子踢出干涉仪激光束，然后我们使用单光子探测器来读取这时的时空扰动。”

涌现的时空

“引力是一幅全息图（hologram）。”加州理工学院舍曼·菲尔柴尔德（Sherman Fairchild）理论物理博士后莫妮卡·康（Monica Jinwoo Kang）在解释全息原理（holographic principle）时说。全息原理是祖里克模型的一个关键原则。这个原理是在 1990 年代利用弦论实现的，它意味着诸如引力等三维现象，可以从平坦的二维表面涌现（emerge）出来。康解释说，“全息原理意味着某样事物体积内的所有信息都被编码于表面上。”

更具体地说，引力和时空是从二维表面上发生的粒子纠缠（entanglement）中涌现的。亚原子粒子跨越空间发生纠缠；粒子作为一个单一实体，彼此之间并无直接接触，有点像一群椋鸟。“受弦论启发的量子引力的现代观点表明，时空和引力脱胎于量子纠缠的网络（networks of entanglement）。沿着这一思路，时空本身是某事物的纠缠程度定义的。”康说。

“如果不开始关注将量子引力与我们生活的自然界联系起来的方法，我们将迷失在沙漠中。” — 凯瑟琳·祖里克

在祖里克和阿迪卡里提出的实验中，他们的思路是探测这个二维表面，或他们所说的“量子视界”（quantum horizon），以寻找引力子的涨落。他们解释说，引力和时空从量子视界中涌现。“我们的实验将测量这个表面的模糊性。”祖里克说。

这种模糊性将代表时空的像素化（pixelation of spacetime）。如果实验成功，它将有助于在最基本、最深的层面上重新定义我们关于引力和空间的概念。

“如果我松开咖啡杯，它会掉下去，我想这就是引力。”阿迪卡里说，“但是，就像温度不是“真实的”，而是描述了一堆分子如何振动一样，时空也许不是一个真实的东西。我们看到鸟群和鱼群成群地进行一致的运动，但它们实际上是由单个动物组成的。我们称群体行为是涌现的。同样，从时空像素化中产生的某种东西恰好被赋予了引力这个名字，因为我们还不明白时空的内核是什么。”

本文译自 Quantum Gravity: The Quest for the Pixelation of Space — Caltech Magazine 原文链接：https://magazine.caltech.edu/post/quantum-gravity