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時空是像素化的嗎？就如同看一副數字圖片，當被放大很多倍後，我們(men) 能看到一塊一塊的像素點。如果時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(cong) 中湧現，我們(men) 或許能發現海麵的漣漪——量子引力的可觀察特征。這是目前理論物理學家提出解決(jue) 量子引力的一個(ge) 方案，並且準備進行實驗檢驗。

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展

從(cong) 遠處看到的沙丘看起來光滑無皺，就像鋪在沙漠上的絲(si) 綢床單一樣。但越近的審視揭示出的細節越多。接近沙丘時，你可能會(hui) 注意到沙中的波紋；觸及表麵，你會(hui) 發現顆顆沙粒。數字圖象也是如此：表麵上完美的肖像放到足夠大，就會(hui) 發現構成圖象的無數不同的像素點。

宇宙本身可能同樣像素化。加州理工學院物理學教授拉納·阿迪卡裏（Rana Adhikari）等人認為(wei) ，我們(men) 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。“時空像素是如此之小，以至於(yu) 你將它放大成一粒沙子的大小的話，原子就會(hui) 大如星係。”他說。

阿迪卡裏和世界各地的物理學家都在尋找這種像素化，因為(wei) 它是我們(men) 這個(ge) 時代最深奧的物理學謎題之一——量子引力的一個(ge) 預言。量子引力是指一套理論，包括弦論在內(nei) ，旨在將廣義(yi) 相對論掌控的引力宏觀世界與(yu) 量子物理學的微觀世界統一起來。這一謎題的核心是引力及其所在的時空是否可以被“量子化”（quantized），或者被分解成單個(ge) 組分，這是量子世界的標誌。

“有時在科學傳(chuan) 播中存在一種誤解，暗示量子力學和引力是不可調和的。”加州理工學院理論物理學教授克裏福德·張（Clifford Cheung）說，“但從(cong) 實驗可知，我們(men) 可以在這個(ge) 有引力的星球上從(cong) 事量子力學，很明顯它們(men) 是一致的。麻煩在於(yu) 關(guan) 於(yu) 黑洞的微妙問題，或者試圖在非常短的距離尺度上統一它們(men) 。”

“引力是一幅全息圖。”

——莫妮卡·康（Monica Jinwoo Kang）

由於(yu) 問題涉及的尺度極小，一些物理學家認為(wei) 在可見的將來找到量子引力的證據是一項不可能完成的任務。盡管研究人員已經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，即美國國家科學基金資助的探測引力波的天文台——但還沒有人在自然界中發現任何量子引力的蛛絲(si) 馬跡。

理論物理學教授凱瑟琳·祖裏克（Kathryn Zurek）希望改變這種狀況。她最近成立了一個(ge) 新的多機構合作團隊，由海辛-西蒙斯（Heising-Simons）基金會(hui) 資助，研究如何觀測量子引力的信號。該項目名為(wei) “量子引力及其觀測信號（Quantum Gravity and Its Observational Signatures，QuRioses）”，它將熟悉量子引力形式工具但沒什麽(me) 實驗設計經驗的弦論家與(yu) 粒子理論家，以及精於(yu) 實驗卻不從(cong) 事量子引力工作的模型構建者組織起來。

“可能找到量子引力的可觀察特征的想法與(yu) 主流相去甚遠。”她說，“但是，如果不開始關(guan) 注將量子引力與(yu) 我們(men) 生活的自然界聯係起來的方法，我們(men) 將迷失在沙漠中。從(cong) 擁有觀察性特征的角度來思考，可以將我們(men) 這些理論家聯係在一起，並幫助我們(men) 在新的問題上取得進展。”

拉納·阿迪卡裏（左）和凱瑟琳·祖裏克（右）。丨圖片來源：Lance Hayashida/Caltech

作為(wei) 合作的一部分，祖裏克將與(yu) 實驗人員阿迪卡裏合作設計一種使用台式儀(yi) 器的新實驗。這項名為(wei) “源於(yu) 時空量子糾纏的引力”（Gravity from Quantum Entanglement of Space-Time ，GQuEST）的實驗，將能夠探測出的不是單個(ge) 時空像素本身，而是那些產(chan) 生可觀察特征的像素之間的聯係。阿迪卡裏將這種搜索比作調諧老式電視機。

“在我的成長歲月，我們(men) 收不到NBC（美國全國廣播公司）的節目，就會(hui) 試著調整頻道。但大多數時候，我們(men) 隻會(hui) 看到像素的雪花。我們(men) 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，但如果你剛好調到峰值，就可以看到太陽風暴和其他信號的雪花。這就是我們(men) 努力在做的事：仔細地收聽那些雪花或時空的波動。我們(men) 將研究雪花的起伏是否以與(yu) 我們(men) 的量子引力模型一致。這一想法可能是錯的，但我們(men) 必須嚐試。”

一副新的宇宙藍圖

量子引力難題的破解將是物理學最偉(wei) 大的成就之一，它可以和研究人員想要統一的兩(liang) 種理論相提並論。愛因斯坦的廣義(yi) 相對論重塑了我們(men) 的宇宙觀，表明空間和時間可以被認為(wei) 是一個(ge) 連續體(ti) ——時空，它響應物質而彎曲。按照廣義(yi) 相對論，引力不過是時空的曲率。

第二種理論——量子力學——描述了宇宙中除引力之外的其他三種已知力：電磁力，弱核力和強核力。量子力學的一個(ge) 典型特征是，這些力可以被量子化為(wei) 離散的波包或粒子。例如，電磁力的量子化導致一種被稱為(wei) 光子（photon）的粒子，它構成了光。光子在微觀尺度的幕後工作，以傳(chuan) 遞電磁力。雖然電磁場在我們(men) 習(xi) 以為(wei) 常的大尺度上看上去連續，但當你放大去看，它會(hui) 因光子而變得“顛簸不平”。那麽(me) 量子引力的核心問題即是：時空是否也會(hui) 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(xing) 的湖麵一樣光滑如鏡？物理學家普遍相信，在最小的尺度上，引力也應是顛簸的；這些磕絆是被稱為(wei) 引力子（graviton）的假設粒子。但是，當物理學家使用數學工具來描述引力如何在極小尺度上從(cong) 引力子中產(chan) 生時，這套東(dong) 西就散架了。

“數學上變得不可能，產(chan) 生了諸如無窮大這樣荒謬的答案，而非應有的有限數字。這意味著哪裏肯定出錯了。”弗雷德·卡弗裏理論物理和數學教授、沃爾特·伯克理論物理研究所所長大栗博司（Hirosi Ooguri）說，“人們(men) 並不十分了解建立一個(ge) 一致的理論框架來統一廣義(yi) 相對論和量子力學是多麽(me) 困難。這似乎是不可能的，但我們(men) 有弦論。”

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

底層的琴弦

許多物理學家會(hui) 同意弦論是迄今為(wei) 止最完整和最可能的量子引力理論。它描述了一個(ge) 10維的宇宙，其中6個(ge) 維度蜷縮不見，其餘(yu) 4個(ge) 構成空間和時間。正如它的名字一樣，該理論假設在最基本的層麵上，宇宙中的所有物質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(ge) 音符對應於(yu) 一個(ge) 獨特的粒子，如電子或光子。其中一個(ge) 音符對應於(yu) 引力子。

哈羅德·布朗（Harold Brown）理論物理學榮休（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(qiao) ·舍爾克（Joël Scherk）使用弦論的數學工具來描述強力。然而他們(men) 意識到，如果他們(men) 改變方向，理論的劣勢可能會(hui) 變成優(you) 勢。

“我們(men) 沒有堅持構建強力理論，而是接受了這個(ge) 美麗(li) 的理論，並自問這有何好處。”施瓦茨在2018年的一次采訪中說，“事實證明，它對引力大有裨益。我們(men) 倆(lia) 都沒有研究過引力。它並非我們(men) 特別感興(xing) 趣的東(dong) 西，但我們(men) 發現這個(ge) 理論很難描述強力，而會(hui) 導致（描述）引力。一旦意識到這一點，我就知道在餘(yu) 下的職業(ye) 生涯中我將會(hui) 做什麽(me) 了。”

結果表明，與(yu) 其他力相比，引力是個(ge) 奇葩。“引力是我們(men) 所知的最弱的力。”大栗博司解釋說。“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(nei) 部有電子和原子核支撐著我。所以，電場戰勝了引力。”

然而，雖然強力在越來越短的距離上減弱，但引力變得越來越強。“這些弦有助於(yu) 軟化這種高能行為(wei) ，”大栗博司說，“能量分散在一根弦裏。”

量子引力的桌麵實驗檢驗

弦論的挑戰不僅(jin) 在於(yu) 使其與(yu) 我們(men) 日常的低能世界保持一致，更在於(yu) 如何檢驗它。為(wei) 了觀察在極小的時空尺度上——這時它被理論化為(wei) 顆粒性的——會(hui) 發生什麽(me) ，實驗就要深入到所謂的普朗克長度的距離，即10-35米數量級。為(wei) 了達到這樣極端的尺度，科學家必須建造一個(ge) 同樣極端的探測器。阿迪卡裏說，“一種方法是製造太陽係大小的東(dong) 西，以此尋找量子引力的特征。但這實在太過昂貴，而且需要數百年的時間！”相反，祖裏克表示，研究人員可以利用小得多的實驗來研究量子引力的各個(ge) 方麵。“對於(yu) 我們(men) 提出的低能實驗，不需要弦論的整個(ge) 機製。”她說，“與(yu) 弦論相關(guan) 的理論發展為(wei) 我們(men) 提供了一些工具以及定量的理解，正是量子引力中預期為(wei) 真的。”

祖裏克、阿迪卡裏及其同事提出的實驗方案側(ce) 重於(yu) 量子引力的效應，這些效應可以在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驗室儀(yi) 器潛在上是可行的。

“時空像素是如此之小，如果你把它放大到一粒沙子那麽(me) 大，那麽(me) 原子就會(hui) 和星係一樣大。”

——拉納·阿迪卡裏（Rana Adhikari）

這些桌麵實驗就像迷你LIGO：在垂直方向上發射兩(liang) 束激光束的L形幹涉儀(yi) 。兩(liang) 束激光從(cong) 鏡子上反射，並在出發處相遇。在LIGO的情形是，引力波會(hui) 拉伸和壓縮空間，從(cong) 而影響激光相遇的時間。量子引力實驗將尋找一種不同類型的時空漲落，這種漲落由引力子組成，引力子在被一些人稱為(wei) 量子或時空的泡沫中突然出現和消失（由於(yu) 量子漲落，光子和其他量子粒子也會(hui) 突然出現和消失）。研究人員並非尋找單獨的引力子，而是要搜尋這些假設的粒子複雜集合間的“長程關(guan) 聯”（long-range correlations）導致的可觀測特征。祖裏克解釋說，這些長程聯係就像時空海洋中那些較大的波紋，而不是單個(ge) 粒子所在的多孔泡沫。

“我們(men) 認為(wei) 時空漲落的存在可能會(hui) 擾動（激光）光束。”她說，“我們(men) 想設計一種裝置，在其中時空波動會(hui) 將一個(ge) 光子踢出幹涉儀(yi) 激光束，然後我們(men) 使用單光子探測器來讀取這時的時空擾動。”

湧現的時空

“引力是一幅全息圖（hologram）。”加州理工學院舍曼·菲爾柴爾德（Sherman Fairchild）理論物理博士後莫妮卡·康（Monica Jinwoo Kang）在解釋全息原理（holographic principle）時說。全息原理是祖裏克模型的一個(ge) 關(guan) 鍵原則。這個(ge) 原理是在1990年代利用弦論實現的，它意味著諸如引力等三維現象，可以從(cong) 平坦的二維表麵湧現（emerge）出來。康解釋說，“全息原理意味著某樣事物體(ti) 積內(nei) 的所有信息都被編碼於(yu) 表麵上。”

更具體(ti) 地說，引力和時空是從(cong) 二維表麵上發生的粒子糾纏（entanglement）中湧現的。亞(ya) 原子粒子跨越空間發生糾纏；粒子作為(wei) 一個(ge) 單一實體(ti) ，彼此之間並無直接接觸，有點像一群椋鳥。“受弦論啟發的量子引力的現代觀點表明，時空和引力脫胎於(yu) 量子糾纏的網絡（networks of entanglement）。沿著這一思路，時空本身是某事物的糾纏程度定義(yi) 的。”康說。

“如果不開始關(guan) 注將量子引力與(yu) 我們(men) 生活的自然界聯係起來的方法，我們(men) 將迷失在沙漠中。” — 凱瑟琳·祖裏克

在祖裏克和阿迪卡裏提出的實驗中，他們(men) 的思路是探測這個(ge) 二維表麵，或他們(men) 所說的“量子視界”（quantum horizon），以尋找引力子的漲落。他們(men) 解釋說，引力和時空從(cong) 量子視界中湧現。“我們(men) 的實驗將測量這個(ge) 表麵的模糊性。”祖裏克說。

這種模糊性將代表時空的像素化（pixelation of spacetime）。如果實驗成功，它將有助於(yu) 在最基本、最深的層麵上重新定義(yi) 我們(men) 關(guan) 於(yu) 引力和空間的概念。

“如果我鬆開咖啡杯，它會(hui) 掉下去，我想這就是引力。”阿迪卡裏說，“但是，就像溫度不是“真實的”，而是描述了一堆分子如何振動一樣，時空也許不是一個(ge) 真實的東(dong) 西。我們(men) 看到鳥群和魚群成群地進行一致的運動，但它們(men) 實際上是由單個(ge) 動物組成的。我們(men) 稱群體(ti) 行為(wei) 是湧現的。同樣，從(cong) 時空像素化中產(chan) 生的某種東(dong) 西恰好被賦予了引力這個(ge) 名字，因為(wei) 我們(men) 還不明白時空的內(nei) 核是什麽(me) 。”

本文譯自

Quantum Gravity: The Quest for the Pixelation of Space — Caltech Magazine

原文鏈接：

https://magazine.caltech.edu/post/quantum-gravity

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