物理学家发现线索：量子纠缠或能解释爱因斯坦引力方程
洛德·瑟林（Rod Serling）对维度了如指掌。他所创作的电视剧《迷离境界》（The Twilight Zone）横跨想象的维度，交织了视觉、听觉与思维的三重维度，如宇宙般浩瀚、如永恒般无尽。可一旦涉及现实中的时空维度，这位编剧却三缄其口，从未对此作过解释。
当然，自爱因斯坦时代起，科学家们也在绞尽脑汁，挠头思索：该如何理解时空的本质？在此之前，几乎所有人都认为艾萨克·牛顿（Isaac Newton）已经解开了所有谜团。牛顿宣称，时间“均匀流逝，与任何外界事物无关”，绝对空间也是独立存在，自成体系，“永远相似，亘古不变”。这看似毫无玄机——物理事件在中立的舞台上独立上演，就像有的演员在舞台上昂首阔步、有的则焦虑不安，他们奔走其间，各自表演，却毫不影响舞台之外的剧场。
然而，爱因斯坦的理论将牛顿提出的绝对时空概念变成了一种相对性的混合体。爱因斯坦方程揭示了一个合并的时空。这是一种全新的舞台，物质和能量在其中改变了场地的结构。这颠覆了物理学的传统观念。自此，时空不再是物质和能量的毫无特征的中性载体。原本独立且均匀的时间和空间，变得既不可分割又变动不居。爱因斯坦在广义相对论中证明，物质和能量会扭曲周围的时空。这一事实看似简单，实则不然！该事实解释了引力现象。牛顿所认为的引力，实际上是由时空几何形状造成的错觉。时空的形状决定了大质量物体的运动轨迹，而大质量物体又反过来塑造了时空的形状。这堪称一种精妙且“公平”的对称。
“时空与引力的涌现，是我们渴望理解的量子多体物理中的神秘现象。”
——布莱恩·斯温格（Brian Swingle）
在一个世纪前，爱因斯坦的时空革命得到了验证。当时，日食观测远征队进行过一次日食探测，证实了爱因斯坦广义相对论的核心预言——当光线掠过大质量巨型天体（此处指太阳）边缘时，会发生精确的弯曲。然而时空的本质依然成谜。既然时空并非虚无，人们自然会追问其本源。
如今，一场新的革命正待揭开该谜底。这场革命基于上世纪另一大物理学突破——量子力学的启发。这场当代科学变革或将再次改写时空的定义，同时或许还能解释量子力学看似诡异的深层逻辑。
“时空与引力最终必源于某种更本源的存在。”物理学家布莱恩·斯温格在2018年《凝聚态物理年度评论》中如是写道。唯有如此，爱因斯坦的引力理论与量子力学数学体系之间根深蒂固的矛盾方能调和。爱因斯坦将引力视为时空几何的表现，这一观点取得了巨大的成功。同样，量子力学也以无与伦比的精准度描述了原子尺度下的物质与能量活动。然而，试图将量子力学的奇异现象与几何引力理论纳入统一数学框架的尝试，却遭遇了严峻的技术和概念障碍。
至少人们在理解常规时空的尝试中，长期存在这样的困境。但转机可能来自对另类时空几何的理论研究——这些时空在理论上存在，却拥有奇特属性。“反德西特空间（anti de Sitter space）”便是一种特例。该空间曲率异常且具有自我坍缩倾向，与我们所处的膨胀宇宙截然不同。该空间并不宜居。但作为研究量子引力理论的实验室，它却价值非凡。“量子引力理论具有一定的复杂性和迷惑性，因此即便是宇宙的玩具模型（一种用于解释机制而刻意简化的模型）也能带来重要启示，”来自马里兰大学的斯温格尔如是写道。
如图所示，这是一种具有特殊曲率的奇异时空，称为反德西特空间。这种时空与我们生活的宇宙截然不同。但正是这种虚构时空，可能为揭示普通时空产生的量子机制提供关键线索。来源：U·莫谢拉（U. Moschella）/庞加莱研讨会2005（Séminaire Poincaré 2005）
对反德西特空间的研究表明，描述引力的数学，即时空几何，可能与低一维空间的量子物理数学存在等价关系。可以将其类比为全息投影，即二维平面承载着三维图像。类似地，四维时空的几何，或许可以被编码在三维空间中量子物理的数学中。或者，可能需要更多维度。不过，具体到底需要多少维度，仍是亟待解决的难题。
无论如何，沿着这些研究方向探索，科学家们发现了一种惊人的可能性，即时空本身可能是由量子物理生成的，特别是由一种被称为量子纠缠的神秘现象所驱动的。
通俗地讲，量子纠缠是一种“幽灵般的联结”，它能将相距甚远的粒子联系在一起。如果这些粒子来自同一来源，那么无论它们飞离多远，仍然能够保持纠缠的状态。若测量其中一个粒子的某个属性，比如自旋属性或偏振属性，就可以知道另一个粒子在相同测量方式下的测量结果。然而，在测量之前，这些属性并未预先确定。这一反常识的现象已通过大量实验反复验证——仿佛A点的测量行为瞬间决定了遥远的B点的测量结果。
这听起来像是纠缠粒子能够以超光速传递信息。否则，很难想象一个粒子如何“知晓”另一个粒子在遥远时空中的情况。然而，实际上，粒子本身并没有发送任何信息。那么，纠缠粒子是如何跨越时空的鸿沟并产生关联的呢？答案或许在于：它们本就不必跨越时空——因为量子纠缠并非发生在时空之中，而是纠缠创造了时空本身。
至少，这就是当前对宇宙的玩具模型研究给我们带来的启示。“时空与引力的涌现，是量子多体物理学中一个亟待破解的神秘现象，”斯温格尔在《年度评论》论文中提出。多位顶尖物理学家的深入研究为其提供了理论证据：纠缠量子态构成的网络编织出了时空结构。这些量子态通常被称为“量子比特”（qubit）——即量子信息单元（类似传统计算机比特，但是，量子比特能同时处于1和0的叠加态，而非单纯代表1或0）。纠缠的量子比特会在空间中构建出几何结构网络，其维度比量子比特本身所处的维度多出一维。因此，量子比特的物理特性可以等价于多出一维的空间几何结构。更令人振奋的是，这种由纠缠量子比特构建的几何结构，很可能遵循爱因斯坦广义相对论中描述引力运动的方程——至少最新研究正指向该研究方向。“显然，由量子纠缠构建的、具备特定性质的几何结构，必定遵循引力运动方程，”斯温格尔写道，“这一发现进一步佐证了时空源自量子纠缠的论断。”
不过，对于这些在高维宇宙的玩具模型中发现的线索，能否最终解释真实物理学家所处的普通时空，目前尚无定论。现实中，究竟哪些量子过程能编织时空结构，至今仍是未解之谜。现有计算中的某些假设，或许终将被证伪。但物理学可能正站在突破性发现的门槛上——或将窥见前所未有的时空维度，甚至超越了人类的视听维度，这一切或许会让《迷离境界》电视剧中的科幻场景成为现实。
作者：Tom Siegfried
翻译：边颖
审校：7号机
原文链接：A quantum origin for spacetime
