《自然》聚焦應對物理學終極挑戰四大法寶

　　許多研究人員認為，只有能夠解釋空間和時間從哪里來，物理學才是真正完整的。

　　“想象一下有一天你醒來，意識到自己生活在一個電腦游戲中。”加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學的物理學家Mark Van Raamsdonk說。這聽起來像是科幻電影，但是對他來說，這個場景是思考現實的一種方法。如果這是真實的，他說：“我們周圍的所有東西——整個三維物理世界——就是別處一個二維芯片的編碼信息所產生的幻覺。”這將使我們的宇宙及其三維空間成為僅存在于低維度中的基質所投射出的全息圖。

　　即使從理論物理學的一般標準來看，這種“全息原理”也是很奇特的。不過有一小部分研究人員認為這還不夠奇特，Van Raamsdonk是其中之一。Van Raamsdonk和同事認為，只有能夠解釋空間和時間從哪里而來，物理學才是完整的。如此激進地對現實進行概念重建，是解釋黑洞中心無限致密的“奇點” 扭曲了時空結構，以及研究人員如何統一原子級的量子理論與星球級的廣義相對論的唯一方法。

　　“所有的經驗告訴我們，我們不應該擁有兩個截然不同的現實概念——必然存在一個可以包羅萬象的宏大理論。”美國賓夕法尼亞州立大學的物理學家Abhay Ashtekar如是說。

　　尋找這個宏大的理論是一項艱巨的挑戰。《自然》雜志介紹了一些有前景的研究路線，以及關于如何驗證這些概念的新觀點。

　　萬有引力與熱力學

　　有什么證據可以說明確實有比空間和時間更基礎的東西呢?一些令人興奮的線索來自于20世紀70年代初期的一系列驚人發現。當時，量子力學、引力與熱力學、熱科學之間的緊密聯系變得清晰起來。

　　1974年，英國劍橋大學的斯蒂芬·霍金展示了黑洞周圍空間中的量子效應會引起其釋放輻射，就像其有很高熱量一樣。其他物理學家很快發現這種現象十分普遍。即使在完全真空的空間里，正在進行加速的宇航員會感覺到自己好像在進行熱浴一樣。如果量子理論和廣義相對論是正確的，并被大量實驗所證實，那么霍金所說的輻射的存在似乎是不可避免的。

　　第二個關鍵發現與其密切相關。在標準熱力學中，一個物體只有通過減少熵(內部量子態數量)才能釋放熱能。黑洞也是如此，但有所差異。在大多數物體中，熵與物體所含的原子數量及其體積成一定比例。但是一個黑洞的熵卻與其視界的表面積成比例。似乎其表面可以對內部信息進行編碼，正如二維全息圖是對三維圖像的編碼一樣。

　　1995年，美國馬里蘭大學物理學家Ted Jacobson發現，其中的數學關系用廣義相對論的方程可以解釋，但使用的是熱力學概念，而不是彎曲時空的想法。2010年，荷蘭阿姆斯特丹大學的弦理論學家Erik Verlinde表示，時空的統計熱力學可以自動生成牛頓的萬有引力定律。印度校際天文和天體物理學中心的宇宙學家Thanu Padmanabhan則發現，愛因斯坦的方程可以用另一種方式表達，從而與熱力學法則相一致。

　　驗證這些想法極其困難，但并不是不可能。驗證時空是否由離散成分構成的一個常被提及的方式是，在高能光子從像超新星和γ射線爆發等遙遠的宇宙事件中前往地球時，尋找其是否存在延遲。短波光子感受到的離散性會使其路途崎嶇不平，從而稍微放緩速度。今年4月，意大利羅馬大學的量子引力科學家Giovanni Amelino-Camelia和同事發現γ射線爆發所釋放的光子出現了這樣的延遲現象。結果并不明確，但是研究團隊計劃擴大其搜索范圍，觀察宇宙事件產生的高能中微子的旅行時間。

　　圈量子引力理論

　　即使上述設想是正確的，但熱力學理論并沒有告知我們空間和時間的基本成分是什么。如果時空是一種織物，那么它的線是什么呢?

　　其中一個可能的答案相當書面化。圈量子引力理論是在20世紀80年代中期由Ashtekar和其他科學家發展起來的，它將時空描述成蜘蛛網，包含著各種信息。其中每一條線最終都會頭尾相連形成循環，其攜帶的信息定義了它們周圍的時空織物的形狀。

　　然而，由于這些循環是量子物體，它們也遵循普通量子力學在氫原子中為電子定義最小基態能量的方式，定義了最小單位區域。若試圖向其中插入攜帶更小區域的線，該條額外的線就會與網絡的其他部分失去聯系。

　　2006年，Ashtekar和同事報告了利用這一事實進行的一系列模擬，使用圈量子引力理論使時鐘倒轉，并觀察在宇宙大爆炸之前發生了什么。今年，烏拉圭大學的物理學家Rodolfo Gambini和美國路易斯安那州立大學的Jorge Pullin報告了其對黑洞進行的相似模擬。他們發現，在黑洞中心并不存在奇點，而是存在一個可進入空間另一部分的細小的時空隧道。

　　圈量子引力理論并不是一個完整的統一理論，因為它沒有包含其他任何力。此外，物理學家還未發現普通時空如何在這個信息網絡中出現。不過，德國馬普學會的物理學家Daniele Oriti希望在凝聚態物理學家的工作中找到一些靈感。Oriti和同事正在尋找公式，用以描述宇宙如何進行轉變，從一組離散的循環轉化成平坦、連續的時空。

　　因果集理論

　　在其他理論上的挫折使一些科學家開始追求極簡主義的因果集理論。相關研究由加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究院的物理學家Rafael Sorkin領銜，該理論假定時空的基石只是簡單的數學點，由鏈接相連，每個鏈接都從過去指向未來。這種聯系是因果關系的簡單表示，意味著早期的點會影響后來的點，反之則不成立。由此產生的網絡就像一棵不斷成長的樹，逐漸構建起時空。

　　20世紀80年代末，Sorkin使用其框架測量了可觀察到的宇宙所包含的點的數量，并推論得出，它們產生的小的內在能量引起了宇宙的加速爆炸。幾年之后，暗能量的發現證實了他的猜想。“如果暗能量的值更大，或者為零，因果集理論就會被排除。”英國帝國理工學院的量子引力研究員Joe Henson如是說。

　　因果動態三角剖分

　　然而，因果集理論并沒有提供其他可以被證實的預測。一些物理學家發現，使用計算機模擬可以獲得更多成果。20世紀90年代初，一種想法開始發展——粗略估計量子漲落時獲得的構成普通時空、呈小集合狀的未知基本成分，并觀察這些小集合如何自發聚集成較大的結構。

　　荷蘭內梅亨大學的物理學家Renate Loll表示，最初的努力令人失望。時空的構建塊只是簡單的錐形，而且模擬的聚集規則使其可以自由結合，結果形成了一系列奇異的“宇宙”，有過多或者過少的維度，自身發生重疊或者變成碎片。“這是一場混亂的實驗，最終并沒有形成任何我們所看到的宇宙的樣子。”