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量子力学能解释时空的存在吗?

自从爱因斯坦以来,科学家们也一直在绞尽脑汁地思考如何理解空间和时间。在此之前,几乎每个人都认为艾萨克·牛顿已经把这一切都解决了。他宣称,时间“平稳地流动,与任何外部事物无关”。绝对空间也是它自己的东西,“总是相似而不可动”。那里没什么可看的。物理现实的事件在中立的舞台上独立地表演,演员们在舞台上昂首阔步,焦躁不安,而不影响剧院的其他部分。

但是爱因斯坦的理论把牛顿的绝对时空变成了一个相对论性的混合体-他的方程式提出了一个合并的时空,一种新的竞技场,玩家在其中改变了竞技场的空间。是物理游戏的改变。空间和时间不再为物质和能量提供一个无特征的背景。以前是独立和统一的,空间和时间变得不可分割和可变。正如爱因斯坦在广义相对论中所指出的,物质和能量扭曲了它们周围的时空。那很简单(哈!)事实解释了地心引力。牛顿的明显吸引力变成了时空几何学所造成的幻觉.正是时空的形状决定了大质量物体的运动,这是一种对称的正义,因为大质量的物体决定了时空的形状。

一个世纪前,爱因斯坦的时空革命得到了验证,当时一次日食远征证实了他的一般理论的主要预测(在这个例子中,就是太阳)。但时空仍然神秘。因为这不是什么,而是什么都没有,所以很自然地想知道它是从哪里来的。

现在,一场新的革命即将解决这个问题,这是基于上个世纪另一个巨大的物理学惊喜:量子力学的见解。今天的革命提供了重新改写时空简历的潜力,或许还能解释为什么量子力学看起来如此怪异。

物理学家布赖恩·斯温格尔在2018年写道:“时空和引力最终必须从别的东西中显现出来。”凝聚态物理年度综述。否则,很难看出爱因斯坦的引力和量子力学的数学是如何调和它们长期不相容的。爱因斯坦的引力观作为时空几何学的表现形式,取得了巨大的成功.但是量子力学也是如此,它描述了原子尺度上的物质和能量的机制,并且没有错误的精确性。然而,试图找到一种将量子怪诞与几何引力相结合的连贯数学,却遇到了难以克服的技术和概念障碍。

至少对于理解普通时空的尝试来说,这是很久以前的事了。但是,从理论上研究了交替时空几何学,从理论上发现了通向进步之路的线索,这在原则上是可以想象的,但却具有不寻常的性质。其中一个被称为反德西特空间的替代物是奇怪的弯曲,它倾向于自身塌陷,而不是像我们生活的宇宙那样膨胀。那可不是个好地方。但作为一个研究量子引力理论的实验室,它有很多可供选择的地方。马里兰大学的Swingle写道:“量子引力足够丰富和令人困惑,即使是玩具宇宙也能为物理学提供巨大的光明。”

例如,反德西特空间的研究表明,描述引力的数学(即时空几何学)可以等价于在一个少一个维度的空间中的量子物理学的数学。想象一个全息图-一个平面,二维表面,其中包含一个三维图像.以类似的方式,时空的四维空间几何学也许可以在量子物理的数学中被编码,在三维空间中运作。或者你需要更多的维度-需要多少维才是需要解决的问题的一部分。

无论如何,沿着这些思路进行的调查揭示了一种惊人的可能性:时空本身可能是由量子物理学产生的,特别是由被称为量子纠缠的令人费解的现象所产生的。

正如人们普遍解释的,纠缠是一种令人毛骨悚然的连接,将粒子连在一起,即使距离很远。如果从一个共同的来源发射,这些粒子仍然纠缠在一起,不管它们离对方有多远。如果你测量其中一个的属性(如自旋或极化),那么你就知道对另一个测量的结果是什么。但是在测量之前,这些性质还没有确定,这是一个违反直觉的事实,许多实验都证实了这一点。似乎在一个地方的测量决定了在另一个遥远的地方测量的是什么。

听起来,纠缠粒子必须能够比光更快地交流。否则,很难想象他们中的一个人如何能够在广阔的时空范围内知道另一个人发生了什么。但实际上他们根本不发送任何信息。那么,纠缠粒子如何超越分隔它们的时空鸿沟呢?也许答案是他们不必-因为纠缠不会发生在……里面时空。纠缠创造时空。

至少这是目前在玩具领域的研究启发了我们的建议。“时空和引力的出现是量子多体物理学中的一个神秘现象,我们想要了解它,”Swingle在他的书中说。年度审查纸。几位顶尖物理学家的大力努力,已经产生了纠缠量子态网络编织时空结构的理论证据。这些量子态通常被描述为“量子比特”-量子信息的比特(就像普通的计算机比特,但以1的混合形式存在。)和0,而不仅仅是1或0)。纠缠量子位元创造出空间几何的网络,额外的维数超过量子位元所居住的维数。因此,量子位元的量子物理可以等同于空间的几何学,具有额外的维数。最重要的是,由纠缠的量子位所创造的几何学很可能很好地遵循爱因斯坦广义相对论中描述重力运动的方程-至少是这个方向上的最新研究点。斯温格尔写道:“很明显,一个由纠缠构造的具有正确属性的几何必须服从引力运动方程。”“这一结果进一步证明了时空产生于纠缠的说法是正确的。”

尽管如此,仍有待证明的是,在具有额外维度的玩具宇宙中发现的线索将为普通时空带来真实的故事,而真正的物理学家则会在这个时空中昂首阔步,焦躁不安。没有人真正知道真实世界中的量子过程将对编织时空结构负责。也许到目前为止在计算中所作的一些假设都是错误的。但是,物理学正处于比以往任何时候都更深入地窥视自然界的基础的边缘,而这种存在所包含的是以前未知的空间和时间维度(或视觉和声音),而这些空间和声音可能最终会形成

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