時空源自量子糾纏？_風聞

物理學家發現線索：量子糾纏或能解釋愛因斯坦引力方程

洛德·瑟林（Rod Serling）對維度瞭如指掌。他所創作的電視劇《迷離境界》（The Twilight Zone）橫跨想象的維度，交織了視覺、聽覺與思維的三重維度，如宇宙般浩瀚、如永恆般無盡。可一旦涉及現實中的時空維度，這位編劇卻三緘其口，從未對此作過解釋。

當然，自愛因斯坦時代起，科學家們也在絞盡腦汁，撓頭思索：該如何理解時空的本質？在此之前，幾乎所有人都認為艾薩克·牛頓（Isaac Newton）已經解開了所有謎團。牛頓宣稱，時間“均勻流逝，與任何外界事物無關”，絕對空間也是獨立存在，自成體系，“永遠相似，亙古不變”。這看似毫無玄機——物理事件在中立的舞台上獨立上演，就像有的演員在舞台上昂首闊步、有的則焦慮不安，他們奔走其間，各自表演，卻毫不影響舞台之外的劇場。

然而，愛因斯坦的理論將牛頓提出的絕對時空概念變成了一種相對性的混合體。愛因斯坦方程揭示了一個合併的時空。這是一種全新的舞台，物質和能量在其中改變了場地的結構。這顛覆了物理學的傳統觀念。自此，時空不再是物質和能量的毫無特徵的中性載體。原本獨立且均勻的時間和空間，變得既不可分割又變動不居。愛因斯坦在廣義相對論中證明，物質和能量會扭曲周圍的時空。這一事實看似簡單，實則不然！該事實解釋了引力現象。牛頓所認為的引力，實際上是由時空幾何形狀造成的錯覺。時空的形狀決定了大質量物體的運動軌跡，而大質量物體又反過來塑造了時空的形狀。這堪稱一種精妙且“公平”的對稱。

“時空與引力的湧現，是我們渴望理解的量子多體物理中的神秘現象。”

——布萊恩·斯温格（Brian Swingle）

在一個世紀前，愛因斯坦的時空革命得到了驗證。當時，日食觀測遠征隊進行過一次日食探測，證實了愛因斯坦廣義相對論的核心預言——當光線掠過大質量巨型天體（此處指太陽）邊緣時，會發生精確的彎曲。然而時空的本質依然成謎。既然時空並非虛無，人們自然會追問其本源。

如今，一場新的革命正待揭開該謎底。這場革命基於上世紀另一大物理學突破——量子力學的啓發。這場當代科學變革或將再次改寫時空的定義，同時或許還能解釋量子力學看似詭異的深層邏輯。

“時空與引力最終必源於某種更本源的存在。”物理學家布萊恩·斯温格在2018年《凝聚態物理年度評論》中如是寫道。唯有如此，愛因斯坦的引力理論與量子力學數學體系之間根深蒂固的矛盾方能調和。愛因斯坦將引力視為時空幾何的表現，這一觀點取得了巨大的成功。同樣，量子力學也以無與倫比的精準度描述了原子尺度下的物質與能量活動。然而，試圖將量子力學的奇異現象與幾何引力理論納入統一數學框架的嘗試，卻遭遇了嚴峻的技術和概念障礙。

至少人們在理解常規時空的嘗試中，長期存在這樣的困境。但轉機可能來自對另類時空幾何的理論研究——這些時空在理論上存在，卻擁有奇特屬性。“反德西特空間（anti de Sitter space）”便是一種特例。該空間曲率異常且具有自我坍縮傾向，與我們所處的膨脹宇宙截然不同。該空間並不宜居。但作為研究量子引力理論的實驗室，它卻價值非凡。“量子引力理論具有一定的複雜性和迷惑性，因此即便是宇宙的玩具模型（一種用於解釋機制而刻意簡化的模型）也能帶來重要啓示，”來自馬里蘭大學的斯温格爾如是寫道。

如圖所示，這是一種具有特殊曲率的奇異時空，稱為反德西特空間。這種時空與我們生活的宇宙截然不同。但正是這種虛構時空，可能為揭示普通時空產生的量子機制提供關鍵線索。來源：U·莫謝拉（U. Moschella）/龐加萊研討會2005（Séminaire Poincaré 2005）

對反德西特空間的研究表明，描述引力的數學，即時空幾何，可能與低一維空間的量子物理數學存在等價關係。可以將其類比為全息投影，即二維平面承載着三維圖像。類似地，四維時空的幾何，或許可以被編碼在三維空間中量子物理的數學中。或者，可能需要更多維度。不過，具體到底需要多少維度，仍是亟待解決的難題。

無論如何，沿着這些研究方向探索，科學家們發現了一種驚人的可能性，即時空本身可能是由量子物理生成的，特別是由一種被稱為量子糾纏的神秘現象所驅動的。

通俗地講，量子糾纏是一種“幽靈般的聯結”，它能將相距甚遠的粒子聯繫在一起。如果這些粒子來自同一來源，那麼無論它們飛離多遠，仍然能夠保持糾纏的狀態。若測量其中一個粒子的某個屬性，比如自旋屬性或偏振屬性，就可以知道另一個粒子在相同測量方式下的測量結果。然而，在測量之前，這些屬性並未預先確定。這一反常識的現象已通過大量實驗反覆驗證——彷彿A點的測量行為瞬間決定了遙遠的B點的測量結果。

這聽起來像是糾纏粒子能夠以超光速傳遞信息。否則，很難想象一個粒子如何“知曉”另一個粒子在遙遠時空中的情況。然而，實際上，粒子本身並沒有發送任何信息。那麼，糾纏粒子是如何跨越時空的鴻溝併產生關聯的呢？答案或許在於：它們本就不必跨越時空——因為量子糾纏並非發生在時空之中，而是糾纏創造了時空本身。

至少，這就是當前對宇宙的玩具模型研究給我們帶來的啓示。“時空與引力的湧現，是量子多體物理學中一個亟待破解的神秘現象，”斯温格爾在《年度評論》論文中提出。多位頂尖物理學家的深入研究為其提供了理論證據：糾纏量子態構成的網絡編織出了時空結構。這些量子態通常被稱為“量子比特”（qubit）——即量子信息單元（類似傳統計算機比特，但是，量子比特能同時處於1和0的疊加態，而非單純代表1或0）。糾纏的量子比特會在空間中構建出幾何結構網絡，其維度比量子比特本身所處的維度多出一維。因此，量子比特的物理特性可以等價於多出一維的空間幾何結構。更令人振奮的是，這種由糾纏量子比特構建的幾何結構，很可能遵循愛因斯坦廣義相對論中描述引力運動的方程——至少最新研究正指向該研究方向。“顯然，由量子糾纏構建的、具備特定性質的幾何結構，必定遵循引力運動方程，”斯温格爾寫道，“這一發現進一步佐證了時空源自量子糾纏的論斷。”

不過，對於這些在高維宇宙的玩具模型中發現的線索，能否最終解釋真實物理學家所處的普通時空，目前尚無定論。現實中，究竟哪些量子過程能編織時空結構，至今仍是未解之謎。現有計算中的某些假設，或許終將被證偽。但物理學可能正站在突破性發現的門檻上——或將窺見前所未有的時空維度，甚至超越了人類的視聽維度，這一切或許會讓《迷離境界》電視劇中的科幻場景成為現實。

作者：Tom Siegfried

翻譯：邊穎

審校：7號機

原文鏈接：A quantum origin for spacetime