時空是像素化的嗎？_風聞

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，引力和其他粒子從中湧現，我們或許能發現海面的漣漪——量子引力的可觀察特徵。這是目前理論物理學家提出解決量子引力的一個方案，並且準備進行實驗檢驗。

撰文 | 惠特尼·克萊文（Whiteny Clavin）

翻譯 | 張一

對量子引力特徵的研究取得進展

從遠處看到的沙丘看起來光滑無皺，就像鋪在沙漠上的絲綢牀單一樣。但越近的審視揭示出的細節越多。接近沙丘時，你可能會注意到沙中的波紋；觸及表面，你會發現顆顆沙粒。數字圖象也是如此：表面上完美的肖像放到足夠大，就會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·阿迪卡里（Rana Adhikari）等人認為，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。“時空像素是如此之小，以至於你將它放大成一粒沙子的大小的話，原子就會大如星系。”他説。

阿迪卡里和世界各地的物理學家都在尋找這種像素化，因為它是我們這個時代最深奧的物理學謎題之一——量子引力的一個預言。量子引力是指一套理論，包括弦論在內，旨在將廣義相對論掌控的引力宏觀世界與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），或者被分解成單個組分，這是量子世界的標誌。

“有時在科學傳播中存在一種誤解，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里福德·張（Clifford Cheung）説，“但從實驗可知，我們可以在這個有引力的星球上從事量子力學，很明顯它們是一致的。麻煩在於關於黑洞的微妙問題，或者試圖在非常短的距離尺度上統一它們。”

“引力是一幅全息圖。”

——莫妮卡·康（Monica Jinwoo Kang）

由於問題涉及的尺度極小，一些物理學家認為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。儘管研究人員已經提出瞭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。她最近成立了一個新的多機構合作團隊，由海辛-西蒙斯（Heising-Simons）基金會資助，研究如何觀測量子引力的信號。該項目名為“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麼實驗設計經驗的弦論家與粒子理論家，以及精於實驗卻不從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徵的想法與主流相去甚遠。”她説，“但是，如果不開始關注將量子引力與我們生活的自然界聯繫起來的方法，我們將迷失在沙漠中。從擁有觀察性特徵的角度來思考，可以將我們這些理論家聯繫在一起，並幫助我們在新的問題上取得進展。”

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

作為合作的一部分，祖裏克將與實驗人員阿迪卡里合作設計一種使用台式儀器的新實驗。這項名為“源於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時空像素本身，而是那些產生可觀察特徵的像素之間的聯繫。阿迪卡里將這種搜索比作調諧老式電視機。

“在我的成長歲月，我們收不到NBC（美國全國廣播公司）的節目，就會試着調整頻道。但大多數時候，我們只會看到像素的雪花。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，但如果你剛好調到峯值，就可以看到太陽風暴和其他信號的雪花。這就是我們努力在做的事：仔細地收聽那些雪花或時空的波動。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。這一想法可能是錯的，但我們必須嘗試。”

一副新的宇宙藍圖

量子引力難題的破解將是物理學最偉大的成就之一，它可以和研究人員想要統一的兩種理論相提並論。愛因斯坦的廣義相對論重塑了我們的宇宙觀，表明空間和時間可以被認為是一個連續體——時空，它響應物質而彎曲。按照廣義相對論，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。量子力學的一個典型特徵是，這些力可以被量子化為離散的波包或粒子。例如，電磁力的量子化導致一種被稱為光子（photon）的粒子，它構成了光。光子在微觀尺度的幕後工作，以傳遞電磁力。雖然電磁場在我們習以為常的大尺度上看上去連續，但當你放大去看，它會因光子而變得“顛簸不平”。那麼量子引力的核心問題即是：時空是否也會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引力子中產生時，這套東西就散架了。

“數學上變得不可能，產生了諸如無窮大這樣荒謬的答案，而非應有的有限數字。這意味着哪裏肯定出錯了。”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慄博司（Hirosi Ooguri）説，“人們並不十分了解建立一個一致的理論框架來統一廣義相對論和量子力學是多麼困難。這似乎是不可能的，但我們有弦論。”

大慄博司 (Hiroshi Ooguri)丨圖片來源：Brandon Hook/Caltech

底層的琴絃

許多物理學家會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10維的宇宙，其中6個維度蜷縮不見，其餘4個構成空間和時間。正如它的名字一樣，該理論假設在最基本的層面上，宇宙中的所有物質都是由微小的弦組成。就像一把小提琴，琴絃以不同的頻率或音符共振，每個音符對應於一個獨特的粒子，如電子或光子。其中一個音符對應於引力子。

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·舍爾克（Joël Scherk）使用弦論的數學工具來描述強力。然而他們意識到，如果他們改變方向，理論的劣勢可能會變成優勢。

“我們沒有堅持構建強力理論，而是接受了這個美麗的理論，並自問這有何好處。”施瓦茨在2018年的一次採訪中説，“事實證明，它對引力大有裨益。我們倆都沒有研究過引力。它並非我們特別感興趣的東西，但我們發現這個理論很難描述強力，而會導致（描述）引力。一旦意識到這一點，我就知道在餘下的職業生涯中我將會做什麼了。”

結果表明，與其他力相比，引力是個奇葩。“引力是我們所知的最弱的力。”大慄博司解釋説。“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，在混凝土內部有電子和原子核支撐着我。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。“這些弦有助於軟化這種高能行為，”大慄博司説，“能量分散在一根弦裏。”

量子引力的桌面實驗檢驗

弦論的挑戰不僅在於使其與我們日常的低能世界保持一致，更在於如何檢驗它。為了觀察在極小的時空尺度上——這時它被理論化為顆粒性的——會發生什麼，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。為了達到這樣極端的尺度，科學家必須建造一個同樣極端的探測器。阿迪卡里説，“一種方法是製造太陽系大小的東西，以此尋找量子引力的特徵。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方面。“對於我們提出的低能實驗，不需要弦論的整個機制。”她説，“與弦論相關的理論發展為我們提供了一些工具以及定量的理解，正是量子引力中預期為真的。”

祖裏克、阿迪卡里及其同事提出的實驗方案側重於量子引力的效應，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麼大，那麼原子就會和星系一樣大。”

——拉納·阿迪卡里（Rana Adhikari）

這些桌面實驗就像迷你LIGO：在垂直方向上發射兩束激光束的L形干涉儀。兩束激光從鏡子上反射，並在出發處相遇。在LIGO的情形是，引力波會拉伸和壓縮空間，從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量子或時空的泡沫中突然出現和消失（由於量子漲落，光子和其他量子粒子也會突然出現和消失）。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“長程關聯”（long-range correlations）導致的可觀測特徵。祖裏克解釋説，這些長程聯繫就像時空海洋中那些較大的波紋，而不是單個粒子所在的多孔泡沫。

“我們認為時空漲落的存在可能會擾動（激光）光束。”她説，“我們想設計一種裝置，在其中時空波動會將一個光子踢出干涉儀激光束，然後我們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）時説。全息原理是祖裏克模型的一個關鍵原則。這個原理是在1990年代利用弦論實現的，它意味着諸如引力等三維現象，可以從平坦的二維表面湧現（emerge）出來。康解釋説，“全息原理意味着某樣事物體積內的所有信息都被編碼於表面上。”

更具體地説，引力和時空是從二維表面上發生的粒子糾纏（entanglement）中湧現的。亞原子粒子跨越空間發生糾纏；粒子作為一個單一實體，彼此之間並無直接接觸，有點像一羣椋鳥。“受弦論啓發的量子引力的現代觀點表明，時空和引力脱胎於量子糾纏的網絡（networks of entanglement）。沿着這一思路，時空本身是某事物的糾纏程度定義的。”康説。

“如果不開始關注將量子引力與我們生活的自然界聯繫起來的方法，我們將迷失在沙漠中。” — 凱瑟琳·祖裏克

在祖裏克和阿迪卡里提出的實驗中，他們的思路是探測這個二維表面，或他們所説的“量子視界”（quantum horizon），以尋找引力子的漲落。他們解釋説，引力和時空從量子視界中湧現。“我們的實驗將測量這個表面的模糊性。”祖裏克説。

這種模糊性將代表時空的像素化（pixelation of spacetime）。如果實驗成功，它將有助於在最基本、最深的層面上重新定義我們關於引力和空間的概念。

“如果我鬆開咖啡杯，它會掉下去，我想這就是引力。”阿迪卡里説，“但是，就像温度不是“真實的”，而是描述了一堆分子如何振動一樣，時空也許不是一個真實的東西。我們看到鳥羣和魚羣成羣地進行一致的運動，但它們實際上是由單個動物組成的。我們稱羣體行為是湧現的。同樣，從時空像素化中產生的某種東西恰好被賦予了引力這個名字，因為我們還不明白時空的內核是什麼。”

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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