假設你想和朋友一起喝咖啡。你必須告訴他們你要去哪裡-你在太空中的位置-但你也需要讓他們知道什麼時候去。這兩個信息都是必要的，因為我們生活在一個四維連續體中：三維空間以及其中的一切，從熱氣騰騰的咖啡機到遙遠星系中爆炸的恆星，所有這些都發生在一維時間的不同時刻。
“時空”僅僅是我們和其他一切存在於其中的物理宇宙。然而，即使在其中生活了幾千年，我們仍然不知道時空到底是什麼。一個多世紀以來，物理學家一直在努力解決這個問題。最近幾年，很多科學家一直在試圖弄清楚什麼可能是編織現實結構的線索。我們有想法，每一種都有自己的優點和缺點。
一種觀點認為，時空是從量子世界的一種奇怪的屬性中出現的，這意味著粒子和場，這些自然界的基本組成部分，即使它們在宇宙的兩端，也可以連接在一起。如果這是正確的，我們可能最終在兩個不可調和的物理學圖騰之間找到了一座橋樑，將我們置於量子引力理論的門檻上。我們還將得到迄今為止最令人震驚的證明：我們所看到的世界並不是真實的世界-正如阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）所說，總是有“深深隱藏的東西”，而理解現實的根本本質的唯一方法是正面面對量子力學。
時空是一個相對較新的概念。艾薩克·牛頓（Isaac Newton）不需要它。對他來說，空間和時間是各自真實的和絕對的。只有當愛因斯坦在1905年提出他的狹義相對論時，兩者才開始走到一起。他指出，不同的觀察者通常會以不同的、不相容的方式將時空劃分為“空間”和“時間”；什麼是“空間”和什麼是“時間”是相對於觀察者如何運動的。
此前，各種思想家都曾猜測，這兩者應該結合在一起。例如，在埃德加·愛倫·坡(Edgar Allan Poe)1848年的散文詩“尤里卡”(Eureka)中，他寫道：“空間和持續時間是一體的。”但直到1908年數學家赫爾曼·明科夫斯基（Hermann Minkowski）才以科學的方式將它們統一起來。他戲劇性地宣稱：“從今以後，空間本身和時間本身將完全化作影子，只有兩者的某種聯合才能保持獨立。”
“在這個世界上，時空怎麼可能存在於各種可能性的疊加中呢？”
愛因斯坦不為所動，抱怨這是“多餘的學問”。但他最終改變了主意，把時空幾何牢牢地放在他的廣義相對論的核心上。它說時空不僅僅是事物發生的靜態背景。它是一個動態實體，在質量和能量的影響下翹曲和拉伸。時空的曲率對我們來說表現為引力。
儘管如此，問經典物理學中的時空“由什麼組成”似乎很奇怪。在廣義相對論中，時空隨著時間的推移而變化，以響應其他物質。但它仍然是一個背景，是大自然的基本組成部分。它不是由任何東西組成的。
這種觀點的問題始於量子力學的發現，量子力學是控制亞原子粒子和場行為的規則。科學家們還沒有能夠構建一個量子力學的引力理論，就像他們對自然界的其他三種基本力量所做的那樣。這個問題的一部分是技術問題：當我們試圖使用標準技術將經典廣義相對論變成量子力學理論時，我們的方程爆炸了，我們得到了毫無意義的答案。但其中一部分是概念性的。
量子力學告訴我們，系統存在於不同可測量量(如位置和速度)的疊加中。沒有量子粒子的“位置”這樣的東西；有許多可能的位置，只有當我們觀察到它們時，它們才具有確定的值。在這個世界上，時空怎麼可能存在於不同可能性的疊加中？這樣就不可能肯定地說某個事件發生在空間和時間上的一個確定的位置。
不同信仰的物理學家已經採取了不同的方法來構建量子引力理論形式的解決方案。最流行的是弦理論，它用振動弦的環和片段代替粒子。弦理論成功地產生了引力的量子版本，但並沒有以一種明顯的方式與我們的世界相連。它也沒有解決這些基本的概念問題。弦論的主要競爭對手，環量子引力，是直接量化廣義相對論的一種嘗試。
這導致一些物理學家後退一步，以不同的方式提出這個問題。發展對某些現象（如電磁場或原子集合）的量子描述的標準方法是從經典描述開始，然後對其進行“量化”。當涉及到引力和時空時，這種方法一次又一次地失敗了。自然也不是這樣運作的。現實世界並不是以經典的方式開始，然後以某種方式量化。它從一開始就是量子的，經典世界作為近似值出現。
所以也許我們根本就不應該試圖量化引力。也許我們應該從一開始就制定一個量子理論，然後展示經典時空是如何從中產生的。這是一種新的方法，它對我們如何思考時空本身是由什麼構成的產生了戲劇性的後果。
為了在這個方向上取得進展，從我們目前最好的物理理論-量子場論開始，這是有幫助的。根據這一理論，世界的基本成分是場，例如電場和磁場。甚至像電子和夸克這樣的粒子也只是在空間中伸展的磁場中的振動。
傳統上，我們可以通過將空間劃分成微小區域以近似方式確定的場的值。一旦我們升級到量子場論，遊戲中就會出現一個額外的特徵：不同區域的場值可以相互糾纏。由於量子的不確定性，我們不知道如果我們在某個位置測量場，我們將得到確切的答案，但糾纏意味著我們在某一點得到的答案將影響我們在任何其他點的測量結果。
也許量化引力是錯誤的，時空一直潛伏在量子力學中。
在普通量子場論的真空狀態下（沒有粒子飛來飛去），不同區域的場之間的糾纏直接與它們之間的距離有關，因此與時空的幾何形狀有關。鄰近區域之間的糾纏度很高，而較遠的區域之間的糾纏度很小。
這表明了一種有趣的方式，可以逆轉我們正常的思維方式，從而在量子理論中找到時空。讓我們想象一下，從一個量子態開始，沒有預先存在的時空概念。現在我們可以嘗試反向工作，從糾纏中提取時空。
如果在普通物理學中，兩個區域之間的糾纏度隨著兩個區域之間的距離越來越遠而減小，那麼讓我們想象一下，將距離定義為與糾纏度有關的距離。在這種情況下，量子態會自動給出它的任意兩部分之間的“距離”，因此定義了這個新興空間上的幾何體。
到目前一切尚好。但是量子態存在於每個時刻，所以它充其量只能定義那個時刻的空間幾何。我們想把它擴展到四維時空。
值得慶幸的是，這裡我們可以從馬里蘭大學的物理學家泰德·雅各布森（Ted Jacobson）那裡借用一個技巧，他在1995年展示了我們如何從關於熵和幾何關係的簡單假設中推導出廣義相對論的愛因斯坦方程。
熵，一種無序的衡量標準，與糾纏直接相關：一個區域與世界其他地方的糾纏越多，它包含的熵就越多。愛因斯坦說，它是在向一個區域添加物質或能量，導致時空彎曲。雅各布森表明，如果我們堅持熵的量必須與包圍該區域的面積成正比，增加區域的糾纏度也可以產生同樣的效果。這在空白空間中當然是正確的，但雅各布森提出，即使空間不是空的，它仍然是正確的。你可以嘗試添加更多的糾纏，但時空會彎曲以進行補償，因此熵始終與面積成正比。
所以愛因斯坦說，能量導致曲率，而雅各布森說，糾纏產生曲率。但雅各布森也認為，這其實是一回事：每當你加入糾纏，能量必然隨之而來。從這個邏輯中，他能夠推導出他的方法中的時空曲率遵循愛因斯坦第一次寫下廣義相對論的同一方程。引力，似乎可以產生於糾纏，而不是直接來自質量和能量。這個顯著的結果就是現在所謂的“熱力學”或“熵”引力的開始。
現實的本質
但它並沒有把我們帶到我們需要去的地方。在推導引力來自何處的另一種圖景時，雅各布森假設了一個經典的時空，並想象其中存在量子場。理想情況下，我們希望從一開始就保持一切量子，並推導出時空本身的存在。這是肖恩·卡洛爾（Sean Carroll）最近與他的合作者一起嘗試的。我們不是從生活在時空中的振動量子場開始，而是從完全抽象的量子“自由度”開始。
這只是一些量，可以有不同的值，獨立於其他量。在牛頓力學中，自由度是粒子的位置和速度；在場論中，它們是場的值和變化率。在我們的方法中，自由度沒有任何直接的物理解釋。它們是現實的基本材料，是創造其他一切事物的本質-一種預先存在於一切事物中的“量子性”。最重要的是，這些量子自由度彼此糾纏在一起。
考慮到這一點，我們顛覆了雅各布森的想法。現在我們可以將一個區域周圍的區域定義為其自由度與外部世界的糾纏。果然，相應的幾何符合愛因斯坦的廣義相對論方程。換句話說，引力可以直接從現實的量子本質中浮現出來，而不需要量化任何假設的經典東西。
這聽起來像是一個結論，但它更像是一個充滿希望的開始。我們的推導中加入了許多假設，這些假設在本質上是否成立還有待觀察。最重要的是，我們從糾纏中推導出的愛因斯坦方程只有在引力較弱且時空幾乎平坦的情況下才有效。一旦引力變得強大，時空是彎曲的，就像在大爆炸或黑洞附近一樣，從根本上來說，新的現象就變得重要起來。
其中最引人注目的是“全息原理”，即描述黑洞的自由度可以被認為是生活在它的邊緣，即事件視界，而不是內部。普林斯頓高級研究所的胡安·馬爾達塞納(Juan Maldacena)使用全息原理展示了兩種截然不同的理論之間的等價性：四維時空中沒有引力的量子場論，以及五維空間中具有負真空能量的量子引力。
加拿大不列顛哥倫比亞省大學的馬克·範·拉姆斯東克（Mark van Raamsdonk）和其他人的後續工作表明，這種對應的量子引力一側的時空幾何與場論一側的量子糾纏直接相關。當我們減少場論中的糾纏時，量子引力方面的時空就會變得分離。
加州斯坦福大學的馬爾達塞納和倫納德·蘇斯金德（Leonard Susskind）將這種聯繫發揮到了極致，他們提出了一個大膽的想法，他們稱之為“ER=EPR”。ER代表阿爾伯特·愛因斯坦和內森·羅森，他們在1935年寫了一篇論文，提出蟲洞的存在，或者說是穿越時空的捷徑。同時，EPR代表愛因斯坦，鮑里斯·波多爾斯基和羅森，他們合作撰寫了另一篇論文，強調糾纏在量子理論中的作用。因此，ER=EPR猜想假設，無論何時有兩個糾纏的粒子，都會有一個微小的蟲洞將它們連接起來。
別太從字面上理解。據說連接成對粒子的蟲洞在顯微鏡上看都很小，任何東西都不可能通過。只有當大量的糾纏參與進來時，我們才開始看到空間結構中的宏觀扭曲。
此外，我們的宇宙具有正的真空能量，而不是負的真空能量，因此馬爾達塞納的負真空能量思想實驗中揭示的等價性的含義不會直接轉化為現實世界中處理量子引力的可行策略。然而，它們確實是另一個強烈的暗示，即量子糾纏是這一切的核心。
“只有在大量糾纏的情況下，我們才能看到太空結構中的大規模扭曲”
目前，所有這些想法都介於有希望的猜測和樂觀的夢想之間。我們不知道思考這些假設的基本自由度的最佳方式，它們糾纏在一起形成時空，我們也不知道它們是如何以任何詳細的方式相互作用的。我們還不能推導出生活在時空中遵循相對論規則的量子場的出現。我們當然還不能回答重要的問題，比如為什麼空間的能量這麼小。
即便如此，想象時空從量子糾纏中湧現出來，對於思考現實的基本本質是一種很有希望的方式。也許從廣義相對論開始並試圖量化它是一個錯誤；也許時空一直潛伏在量子力學中。
糾纏時間
在尋找我們稱之為時空的現實背景背後是什麼的過程中，我們已經開始理解空間部分是如何從量子糾纏中浮現出來的。時間是另一回事。但有一種方法可以從同樣的現象中衍生出第四維。
早在1983年，現供職於加拿大阿爾伯塔大學的唐·佩奇（Don Page）和馬薩諸塞州威廉姆斯學院的威廉·伍特斯（William Wootters）就提出了這一建議。在量子力學中，如果一個系統可以處於各種不同的狀態，我們可以任何組合將這些狀態加在一起，以創建新的狀態，即原始狀態的疊加。例如，電子可以順時針或逆時針旋轉，但它也可以是兩者的疊加。
考慮到這一點，考慮一個由兩個子系統組成的量子系統：一個是時鐘，另一個是其他一切。讓系統作為一個整體隨著時間的推移而發展，這樣時鐘在每個時刻的讀數都不同。現在取一系列這樣的時刻，比方說每秒一個，並在所有時刻將所有特定的量子態加在一起。
這將提供一個新的超級狀態，即單個狀態與特定時鐘讀數和其他所有內容的特定配置的疊加。它不會隨著時間而進化。但因為這是一個量子系統，時鐘與世界的其他部分糾纏在一起。如果我們測量時鐘，看看它讀到了什麼，系統的其餘部分將立即進入原始系統在相應時間擁有的任何量子態。
通過這種方式，即使在不變的量子狀態下，時間也會出現。關鍵是糾纏，我們所需要的只是一個時鐘子系統，以正確的方式與宇宙的其他部分糾纏在一起。時間就是你的時鐘讀數。
閱讀更多 趣味說 的文章
