物理学家正在重新思考空间和时间的本质

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广义相对论和量子力学是现代物理学的两大基石，物理学家一直试图将它们合二为一。在一项最新的研究中，两名科学家发现了它们之间的潜在联系，或将迫使物理学家重新思考空间和时间的本质。

爱因斯坦的广义相对论将引力描述为空间与时间的一种几何性质。物体的质量越大，所造成的时空扭曲程度就越大，而这种扭曲的表现便是引力。

1970年代时，霍金（Stephen Hawking）与贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）意识到，黑洞的表面区域与其微观量子结构之间的联系，决定了黑洞的熵。这是第一次物理学家发现广义相对论与量子力学间存在着关联。（扩展阅读：《看见看不见的》）

不到30年后，理论物理学家马尔达西那（Juan Maldacena）发现了引力与量子世界之间的另一个关联。在他的想法上，科学家提出了一个模型，认为改变某个物体不同表面区域之间的纠缠程度就可以创造或摧毁时空。换句话说，该模型认为时空本身（至少在模型中的定义）是物体之间相互纠缠的产物。

沿着这个思路，加州理工学院的 ChunJun Cao 和 Sean Carroll 进一步探索，试图利用时空源自于量子纠缠这一框架，看是否能够推导出引力的动力学性质。

○ Cao和Carroll将他们的研究结果发表在arXiv上。| 图片来源：https://arxiv.org/abs/1712.02803

借助被称为“希尔伯特空间”的抽象数学概念，他们成功地找到了支配量子纠缠的方程式与爱因斯坦场方程之间的相似之处。他们的理论进一步支持了时空与引力均源自于纠缠的想法。

Carroll表示，他们将在下一步研究中检验该假说的准确度。他说：“其中一个最显而易见的是，我们需要检验相对论的对称性是否能够在这个框架中重现，尤其是物理定律与空间中的运动速度无关这一点。”

今天，我们对宇宙中一切认知都能够被广义相对论或量子力学解释。前者可解释行星或星系等大尺度范围下的物理过程，后者则帮助我们探索原子和亚原子粒子所在的微观世界。

不幸的是，二者之间似乎无法兼容，因此物理学家一直致力于寻找能够解释一切（包括时空的本质）的“万有理论”。

由于引力和时空是“万物”的重要组成部分，Carroll认为此次与Cao共同开展的研究能够促进对万有理论的探索。不过他也指出，此次的研究结果更偏向于猜测，而且也存在着局限性。

Carroll表示：“我们的研究并没有对自然界的其它基本力涉及过多，所以离解释‘万物’还有很长的距离要走。”

不过，如果我们真的能够找到像这样的一个理论，它便能帮助我们揭开当今科学家面临的重大基本问题，包括理解暗物质、暗能量、黑洞、以及其它神秘天体的本质。

虽然理论物理学家对万有理论的追寻较为“零散”，但每一次的研究成果都使我们朝揭开最终的真相更进一步，人类对宇宙的理解终将迈入一个全新的纪元。

文：Kristin Houser