關于宇宙—經驗不夠，理論來湊

“想象一下，有一天你醒來后，突然意識到自己生活在一個電腦游戲中—”加拿大物理學家馬克·范拉姆斯東克說。這聽起來像是科幻電影，但對他來說，這個場景是思考現實的一種方式。如果這是真實的，“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。”也就是說，我們的宇宙及其三維空間，只是低維度基質所投射出的全息圖（hologram）。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，范拉姆斯東克就是其中之一。他們認為，如果現代物理的兩大支柱，廣義相對論（把引力描述為空間和時間的彎曲）以及統領原子世界的量子力學，都不能解釋空間和時間的存在，其他現有理論就更不可能了。

范拉姆斯東克和同事確信，只有解釋出空間和時間的起源，物理學才是完整的。而這樣的構想將需要大膽的設想，例如“全息圖”概念。只有對現實進行激烈的概念重建，才能夠解釋，當黑洞中心無限致密的“奇點”將時空結構扭曲得超越了我們所有認知時，到底發生了什么；這也是研究者統一原子尺度的量子理論與星際尺度的廣義相對論的唯一途徑。已經有幾代理論物理學家在為這個大統一理論而奮斗。“所有的經驗告訴我們，不應該存在兩個關于現實的截然不同的基本觀念—必然存在一個可以包羅萬象的宏大理論，”美國物理學家阿布依·阿希提卡如是說。找尋這樣的宏大理論是一個艱巨的挑戰。

本文介紹了一些有前景的研究理論以及一些用于檢驗這些理論的新觀點。

熱力學引力

有哪些證據顯示，存在比空間和時間更基本的東西？

20世紀70年代初，當量子力學和引力與熱力學之間的聯系越來越清晰時，一系列驚人的發現給出了一個令人興奮的線索。

1974年英國劍橋大學的斯蒂芬·霍金證明，黑洞周圍空間的量子效應使得黑洞向外釋放熱輻射。其他物理學家很快驗證了這種現象的普遍性。

1995 年，美國物理學家特德·雅各布森把這兩個發現合并為一，假設空間中的每一點都處在一個微小的“黑洞視界面上”，每一點都滿足“熵—面積”的關系。在這樣的假設下，他發現只需利用熱力學中的概念，通過數學方法就可以得到廣義相對論的愛因斯坦方程，而不需要時空彎曲的觀點。

2010年，這個觀點又被荷蘭弦理論學家埃里克·韋爾蘭德推進了一步。他證明了無論時空的組分是什么，它們的統計熱力學都能自動地生成牛頓萬有引力定律。印度宇宙學家他努·帕德馬納班也發現，愛因斯坦方程可以寫成一種與熱力學定律一致的形式，引力的許多其他理論也可以做這樣的改寫。帕德馬納班正在嘗試用熱力學的方法來解釋暗能量的起源和大小。

因果集

加拿大物理學家拉斐爾·索爾金是因果集理論的先驅，這個理論假設時空的基石只是簡單的數學點，通過一條條鏈連接起來，每條鏈都從過去指向未來。每一條這樣的鏈都是因果關系的簡要表示，意味著較早的點會影響較晚的點，但反之不成立。這樣形成的網絡就像一棵不斷長大的樹，逐漸長成了時空。“你可以想象空間從許多點中產生，與溫度從許多原子中出現是類似的。”索爾金說，“問‘一個原子的溫度是什么？’這個問題是沒有意義的，只有對于一大堆原子，溫度的概念才有意義。”

上世紀80年代末，索爾金利用這個理論框架來估算可觀測的宇宙所包含的點的數目，他還推測出，這些點應該都會產生一種微弱的內在能量，最終導致了宇宙的加速膨脹。幾年后，暗能量的發現證實了他的推測。“人們通常認為量子引力的預言是無法檢驗的，但這就是一個可檢驗的例子。”英國量子引力學家喬·亨森說，“如果暗能量的值更大或者為零，因果集理論就被排除了。”

全息

范拉姆斯東克根據全息原理，提出了一個完全不同的關于時空起源的觀點。黑洞以類似全息圖的方式將全部熵儲存在表面，受此現象啟發，美國弦理論學家胡安·馬爾達塞納，首先給出了黑洞全息原理的準確數學表達式。這一極有影響力的全息宇宙模型發表于1998年。在這個模型中，宇宙的三維內部包含著僅由引力控制的弦和黑洞，而宇宙的二維邊界包含的粒子和基本場，則滿足沒有引力的普通量子定律。三維空間中，假想居民看不到二維邊界，因為它是無限遠的。但這并不影響數學推導：在三維宇宙中發生的任何事情，都可以等價地用二維邊界中的方程很好地描述出來，反之亦然。

2010年，范拉姆斯東克研究了邊界中的量子粒子相互“糾纏”（這意味著測量一個粒子會不可避免地影響到另一個）的情形。范拉姆斯東克總結說，三維宇宙實際上是被邊界上的量子糾纏扯到一起的。在某種程度上，這意味著量子糾纏和時空是同樣的東西。或者就像馬爾達塞納指出的那樣，“這說明量子是最基礎的，時空是由其衍生出來的。”

更多內容，詳見《科學美國人》中文版《環球科學》2013年12月號

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—科學探索