《自然》聚焦应对物理学终极挑战四大法宝

许多研究人员认为，只有当物理学能够解释空间和时间的来源时，它才是真正完整的。照片来源:自然

"想象有一天醒来，意识到自己生活在一个电脑游戏中."加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的物理学家马克·范·拉姆斯东克说。这听起来像科幻电影，但对他来说，这一幕是思考现实的一种方式。如果这是真的，他说，“我们周围的一切——整个三维物理世界——都是由别处二维芯片的编码信息产生的幻觉。”这将使我们的宇宙及其三维空间成为由只存在于低维度的矩阵投射的全息图。

即使从理论物理的一般标准来看，这个“全息原理”也很奇怪。然而，少数研究人员认为这还不够奇怪。范·拉姆斯东克就是其中之一。Van Raamsdonk和他的同事认为，只有当物理学能够解释空间和时间的来源时，它才是完整的。这种对现实的激进概念重构是解释黑洞中心无限密集的“奇点”扭曲时空结构以及研究人员如何将原子级量子理论与行星级广义相对论统一起来的唯一方法。

“所有的经验都告诉我们，我们不应该有两个完全不同的现实概念——必须有一个涵盖一切的宏大理论。”这是宾夕法尼亚州立大学的物理学家阿比·阿什卡所说的。

找到这个伟大的理论是一个巨大的挑战。《自然》杂志介绍了一些有前途的研究路线和如何验证这些概念的新想法。

重力和热力学

有没有证据表明有比空间和时间更基本的东西？一些令人兴奋的线索来自20世纪70年代初的一系列惊人发现。那时，量子力学、重力、热力学和热科学之间的紧密联系变得清晰起来。

1974年，英国剑桥大学的斯蒂芬·霍金证明了黑洞周围空间的量子效应会导致它释放辐射，就像它有很高的热量一样。其他物理学家很快发现这种现象非常普遍。即使在完全真空的空间里，加速的宇航员也会感觉好像在洗热水澡。如果量子理论和广义相对论是正确的，并且被大量的实验所证实，那么像霍金所说的辐射的存在似乎是不可避免的。

第二个关键发现与之密切相关。在标准热力学中，物体只能通过减少熵(内部量子态的数量)来释放热能。黑洞也是如此，但存在差异。在大多数物体中，熵与原子的数量和体积成正比。但是黑洞的熵与其视界的表面积成正比。它的表面似乎可以编码内部信息，就像二维全息图编码三维图像一样。

1995年，马里兰大学的物理学家特德·雅各布森发现，这种数学关系可以用广义相对论的方程来解释，但是热力学概念被用来代替弯曲时空的概念。2010年，荷兰阿姆斯特丹大学的弦理论学家埃里克·韦尔兰德说，空间和时间的统计热力学可以自动产生牛顿万有引力定律。印度天文和天体物理校际中心的宇宙学家塔努·帕德马纳罕发现，爱因斯坦的方程可以用另一种方式表达，因此符合热力学定律。

验证这些想法极其困难，但并非不可能。一种经常被提及的验证时空是否由离散成分组成的方法是，找出高能光子从遥远的宇宙事件(如超新星和伽马射线爆发)传播到地球时是否存在延迟。短波光子感受到的色散会使它们的旅程变得艰难，从而略微减慢速度。今年4月，意大利罗马大学的量子重力科学家乔瓦尼·阿梅里诺-卡米利亚和他的同事发现伽马射线爆发释放的光子有这样的延迟。结果尚不清楚，但研究小组计划扩大搜索范围，观察宇宙事件产生的高能中微子的传播时间。

环形量子引力理论

即使上述假设是正确的，热力学理论也没有告诉我们空间和时间的基本成分是什么。如果时空是一种结构，它的线是什么？

一个可能的答案已经写好了。环形量子引力理论是由阿什卡和其他科学家在20世纪80年代中期发展起来的。它把时空描述成蜘蛛网，包含各种信息。这些线条中的每一条最终都会形成一个循环，承载着定义它们周围时空结构形状的信息。

然而，由于这些循环是量子物体，它们也遵循普通量子力学定义氢原子中电子的最小基态能量的方式，定义最小单位区域。如果您试图插入一条带有较小区域的线路，额外的线路将与网络的其余部分失去联系。

2006年，Ashtekar和他的同事报道了一系列利用这一事实的模拟，利用圆形量子引力理论来倒转时钟，观察大爆炸前发生的事情。今年，乌拉圭大学的物理学家Rodolfo Gambini和路易斯安那州立大学的Jorge Pullin报道了他们对黑洞的类似模拟。他们发现在黑洞的中心没有奇点，但是有一个微小的时间隧道可以进入空间的另一部分。

圆量子引力理论不是一个完整的统一理论，因为它不包含任何其他的力。此外，物理学家还没有发现普通的时空是如何出现在这个信息网络中的。然而，德国马克斯·普朗克研究所的物理学家丹尼尔·奥蒂希望在凝聚态物理学家的工作中找到一些灵感。Oriti和他的同事正在寻找公式来描述宇宙是如何从一组离散的周期转变成一个平坦、连续的时空的。

因果集合论

对其他理论的失望导致一些科学家追求极简因果集理论。相关的研究由加拿大滑铁卢圆理论物理研究所的物理学家拉斐尔·索金领导。该理论假设空间和时间的基石只是一个简单的数学点，由链接连接，每个链接指向过去和未来。这种联系是因果关系的一种简单表达，这意味着早期的点会影响到后来的点，否则它就不会成立。由此产生的网络就像一棵正在生长的树，逐渐建立起时间和空间。

在20世纪80年代后期，索金利用其框架测量了可观测宇宙中包含的点的数量，并得出结论认为，这些点产生的微小内部能量导致了宇宙的加速爆炸。几年后，暗能量的发现证实了他的猜想。"如果暗能量的值大于或等于零，因果集理论将被排除."英格兰帝国学院的量子重力研究员乔·汉森说。

因果动态三角测量

然而，因果集理论没有提供其他可验证的预测。一些物理学家发现使用计算机模拟可以获得更多的结果。在20世纪90年代早期，一个想法开始形成——粗略估计形成普通时空的未知基本成分，当量子波动发生时，这些未知基本成分以小集合的形式出现，并观察这些小集合如何自发地聚集成更大的结构。

荷兰奈梅亨大学的物理学家雷纳特·罗勒说，最初的努力令人失望。空间和时间的构建块只是简单的圆锥体，而模拟的聚集规则允许它们*组合，从而产生一系列奇怪的“宇宙”，这些“宇宙”有太多或太少的维度重叠或成为碎片。“这是一个混乱的实验，没有形成我们最终看到的宇宙。”(张冬冬)

中国科学新闻(2013-09-03第三版国际版)