時(shí)空是像素化的嗎？

時(shí)空是像素化的嗎？就如同看一副數(shù)字圖片，當(dāng)被放大很多倍后，我們能看到一塊一塊的像素點(diǎn)。如果時(shí)空在極小尺度是量子化的——充滿泡沫的粒子海洋，引力和其他粒子從中涌現(xiàn)，我們或許能發(fā)現(xiàn)海面的漣漪——量子引力的可觀察特征。這是目前理論物理學(xué)家提出解決量子引力的一個(gè)方案，并且準(zhǔn)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

撰文 | 惠特尼·克萊文（Whiteny Clavin）

翻譯 | 張一

對量子引力特征的研究取得進(jìn)展

從遠(yuǎn)處看到的沙丘看起來光滑無皺，就像鋪在沙漠上的絲綢床單一樣。但越近的審視揭示出的細(xì)節(jié)越多。接近沙丘時(shí)，你可能會(huì)注意到沙中的波紋；觸及表面，你會(huì)發(fā)現(xiàn)顆顆沙粒。數(shù)字圖象也是如此：表面上完美的肖像放到足夠大，就會(huì)發(fā)現(xiàn)構(gòu)成圖象的無數(shù)不同的像素點(diǎn)。

宇宙本身可能同樣像素化。加州理工學(xué)院物理學(xué)教授拉納·阿迪卡里（Rana Adhikari）等人認(rèn)為，我們所在的空間可能不是完全光滑的，而是由極小的離散單元組成?！皶r(shí)空像素是如此之小，以至于你將它放大成一粒沙子的大小的話，原子就會(huì)大如星系?！彼f。

阿迪卡里和世界各地的物理學(xué)家都在尋找這種像素化，因?yàn)樗俏覀冞@個(gè)時(shí)代最深?yuàn)W的物理學(xué)謎題之一——量子引力的一個(gè)預(yù)言。量子引力是指一套理論，包括弦論在內(nèi)，旨在將廣義相對論掌控的引力宏觀世界與量子物理學(xué)的微觀世界統(tǒng)一起來。這一謎題的核心是引力及其所在的時(shí)空是否可以被“量子化”（quantized），或者被分解成單個(gè)組分，這是量子世界的標(biāo)志。

“有時(shí)在科學(xué)傳播中存在一種誤解，暗示量子力學(xué)和引力是不可調(diào)和的?！奔又堇砉W(xué)院理論物理學(xué)教授克里福德·張（Clifford Cheung）說，“但從實(shí)驗(yàn)可知，我們可以在這個(gè)有引力的星球上從事量子力學(xué)，很明顯它們是一致的。麻煩在于關(guān)于黑洞的微妙問題，或者試圖在非常短的距離尺度上統(tǒng)一它們?！?/p>

“引力是一幅全息圖。”

——莫妮卡·康（Monica Jinwoo Kang）

由于問題涉及的尺度極小，一些物理學(xué)家認(rèn)為在可見的將來找到量子引力的證據(jù)是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。盡管研究人員已經(jīng)提出了如何找到其存在線索的各種想法——在黑洞周圍；在早期宇宙中；甚至使用LIGO，即美國國家科學(xué)基金資助的探測引力波的天文臺(tái)——但還沒有人在自然界中發(fā)現(xiàn)任何量子引力的蛛絲馬跡。

理論物理學(xué)教授凱瑟琳·祖里克（Kathryn Zurek）希望改變這種狀況。她最近成立了一個(gè)新的多機(jī)構(gòu)合作團(tuán)隊(duì)，由海辛-西蒙斯（Heising-Simons）基金會(huì)資助，研究如何觀測量子引力的信號。該項(xiàng)目名為“量子引力及其觀測信號（Quantum Gravity and Its Observational Signatures，QuRIOS）”，它將熟悉量子引力形式工具但沒什么實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的弦論家與粒子理論家，以及精于實(shí)驗(yàn)卻不從事量子引力工作的模型構(gòu)建者組織起來。

“可能找到量子引力的可觀察特征的想法與主流相去甚遠(yuǎn)?！彼f，“但是，如果不開始關(guān)注將量子引力與我們生活的自然界聯(lián)系起來的方法，我們將迷失在沙漠中。從擁有觀察性特征的角度來思考，可以將我們這些理論家聯(lián)系在一起，并幫助我們在新的問題上取得進(jìn)展?！?/p>

拉納·阿迪卡里（左）和凱瑟琳·祖里克（右）。丨圖片來源：Lance Hayashida/Caltech

作為合作的一部分，祖里克將與實(shí)驗(yàn)人員阿迪卡里合作設(shè)計(jì)一種使用臺(tái)式儀器的新實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)名為“源于時(shí)空量子糾纏的引力”（Gravity from Quantum Entanglement of Space-Time ，GQuEST）的實(shí)驗(yàn)，將能夠探測出的不是單個(gè)時(shí)空像素本身，而是那些產(chǎn)生可觀察特征的像素之間的聯(lián)系。阿迪卡里將這種搜索比作調(diào)諧老式電視機(jī)。

“在我的成長歲月，我們收不到NBC（美國全國廣播公司）的節(jié)目，就會(huì)試著調(diào)整頻道。但大多數(shù)時(shí)候，我們只會(huì)看到像素的雪花。我們知道，那些雪花的一部分來自宇宙微波背景（cosmic microwave background），或宇宙誕生之時(shí)，但如果你剛好調(diào)到峰值，就可以看到太陽風(fēng)暴和其他信號的雪花。這就是我們努力在做的事：仔細(xì)地收聽那些雪花或時(shí)空的波動(dòng)。我們將研究雪花的起伏是否以與我們的量子引力模型一致。這一想法可能是錯(cuò)的，但我們必須嘗試。”

一副新的宇宙藍(lán)圖

量子引力難題的破解將是物理學(xué)最偉大的成就之一，它可以和研究人員想要統(tǒng)一的兩種理論相提并論。愛因斯坦的廣義相對論重塑了我們的宇宙觀，表明空間和時(shí)間可以被認(rèn)為是一個(gè)連續(xù)體——時(shí)空，它響應(yīng)物質(zhì)而彎曲。按照廣義相對論，引力不過是時(shí)空的曲率。

第二種理論——量子力學(xué)——描述了宇宙中除引力之外的其他三種已知力：電磁力，弱核力和強(qiáng)核力。量子力學(xué)的一個(gè)典型特征是，這些力可以被量子化為離散的波包或粒子。例如，電磁力的量子化導(dǎo)致一種被稱為光子（photon）的粒子，它構(gòu)成了光。光子在微觀尺度的幕后工作，以傳遞電磁力。雖然電磁場在我們習(xí)以為常的大尺度上看上去連續(xù)，但當(dāng)你放大去看，它會(huì)因光子而變得“顛簸不平”。那么量子引力的核心問題即是：時(shí)空是否也會(huì)在最小的尺度上變成充滿泡沫的粒子海洋，還是像波瀾不興的湖面一樣光滑如鏡？物理學(xué)家普遍相信，在最小的尺度上，引力也應(yīng)是顛簸的；這些磕絆是被稱為引力子（graviton）的假設(shè)粒子。但是，當(dāng)物理學(xué)家使用數(shù)學(xué)工具來描述引力如何在極小尺度上從引力子中產(chǎn)生時(shí)，這套東西就散架了。

“數(shù)學(xué)上變得不可能，產(chǎn)生了諸如無窮大這樣荒謬的答案，而非應(yīng)有的有限數(shù)字。這意味著哪里肯定出錯(cuò)了?！备ダ椎隆たǜダ锢碚撐锢砗蛿?shù)學(xué)教授、沃爾特·伯克理論物理研究所所長大栗博司（Hirosi Ooguri）說，“人們并不十分了解建立一個(gè)一致的理論框架來統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)是多么困難。這似乎是不可能的，但我們有弦論?！?/p>

大栗博司 (Hiroshi Ooguri)丨圖片來源：Brandon Hook/Caltech

底層的琴弦

許多物理學(xué)家會(huì)同意弦論是迄今為止最完整和最可能的量子引力理論。它描述了一個(gè)10維的宇宙，其中6個(gè)維度蜷縮不見，其余4個(gè)構(gòu)成空間和時(shí)間。正如它的名字一樣，該理論假設(shè)在最基本的層面上，宇宙中的所有物質(zhì)都是由微小的弦組成。就像一把小提琴，琴弦以不同的頻率或音符共振，每個(gè)音符對應(yīng)于一個(gè)獨(dú)特的粒子，如電子或光子。其中一個(gè)音符對應(yīng)于引力子。

哈羅德·布朗（Harold Brown）理論物理學(xué)榮休（Emeritus）教授約翰·施瓦茨（John Schwarz）是最早意識到弦論彌合量子世界和引力之間鴻溝的力量的人之一。在1970年代，他和同事喬·舍爾克（Jo?l Scherk）使用弦論的數(shù)學(xué)工具來描述強(qiáng)力。然而他們意識到，如果他們改變方向，理論的劣勢可能會(huì)變成優(yōu)勢。

“我們沒有堅(jiān)持構(gòu)建強(qiáng)力理論，而是接受了這個(gè)美麗的理論，并自問這有何好處?！笔┩叽脑?018年的一次采訪中說，“事實(shí)證明，它對引力大有裨益。我們倆都沒有研究過引力。它并非我們特別感興趣的東西，但我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)理論很難描述強(qiáng)力，而會(huì)導(dǎo)致（描述）引力。一旦意識到這一點(diǎn)，我就知道在余下的職業(yè)生涯中我將會(huì)做什么了?！?/p>

結(jié)果表明，與其他力相比，引力是個(gè)奇葩。“引力是我們所知的最弱的力?！贝罄醪┧窘忉屨f。“站在勞瑞森（Lauritsen）大樓的四樓，引力沒有把我拉過地板的原因是，在混凝土內(nèi)部有電子和原子核支撐著我。所以，電場戰(zhàn)勝了引力。”

然而，雖然強(qiáng)力在越來越短的距離上減弱，但引力變得越來越強(qiáng)。“這些弦有助于軟化這種高能行為，”大栗博司說，“能量分散在一根弦里?！?/p>

量子引力的桌面實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

弦論的挑戰(zhàn)不僅在于使其與我們?nèi)粘５牡湍苁澜绫３忠恢?，更在于如何檢驗(yàn)它。為了觀察在極小的時(shí)空尺度上——這時(shí)它被理論化為顆粒性的——會(huì)發(fā)生什么，實(shí)驗(yàn)就要深入到所謂的普朗克長度的距離，即10-35米數(shù)量級。為了達(dá)到這樣極端的尺度，科學(xué)家必須建造一個(gè)同樣極端的探測器。阿迪卡里說，“一種方法是制造太陽系大小的東西，以此尋找量子引力的特征。但這實(shí)在太過昂貴，而且需要數(shù)百年的時(shí)間！”相反，祖里克表示，研究人員可以利用小得多的實(shí)驗(yàn)來研究量子引力的各個(gè)方面。“對于我們提出的低能實(shí)驗(yàn)，不需要弦論的整個(gè)機(jī)制?！彼f，“與弦論相關(guān)的理論發(fā)展為我們提供了一些工具以及定量的理解，正是量子引力中預(yù)期為真的?！?/p>

祖里克、阿迪卡里及其同事提出的實(shí)驗(yàn)方案側(cè)重于量子引力的效應(yīng)，這些效應(yīng)可以在10-18米這樣更易管控的尺度上觀察到。這仍然非常小，但使用極其精確的實(shí)驗(yàn)室儀器潛在上是可行的。

“時(shí)空像素是如此之小，如果你把它放大到一粒沙子那么大，那么原子就會(huì)和星系一樣大?！?/strong>