無趣的宇宙與復雜的時空

苗千

科學家們最新發現的宇宙或許會顯得有些無聊，也讓宇宙學家們松了一口氣——最新分析結果顯示，我們所生活的宇宙是一個沒有方向性的宇宙。

也就是說，這個宇宙具有“各向同性”，在大尺度上我們無法繪制一幅關于宇宙的地圖，它在各個方向上都相同。

最近，一組科學家通過分析歐洲航天局發射的普朗克衛星在2009到2013年之間所收集的宇宙微波背景輻射信號，得出了對宇宙形態最精密全面的分析結果，宇宙只有1/121000的概率具有某種方向性。宇宙學家們當然會歡迎這個結果，因為目前宇宙學中對于宇宙誕生和發展過程的描述都是基于宇宙具有各向同性這個重要假設。

從天圓地方的想象到地心說，再到日心說，人類一步步認識到自己并不處于宇宙的中心，現在的結論證明，在極大尺度上各處相同的宇宙并沒有一個中心位置。通過愛因斯坦的廣義相對論，人們理解宇宙正處在膨脹的過程中，因此有很大的可能宇宙各處的性質都相同。但在理論上，還有其他的可能性。

宇宙學理論描述，宇宙誕生于大爆炸產生出的一種均勻的亞原子“粒子湯”，但是隨后宇宙發生了“暴脹”，瞬間就把宇宙從微觀狀態拉伸到了宏觀狀態。在這種情況下，微觀狀態下的極小的不均勻都可能導致宏觀宇宙出現整體性的不均勻，從而具有方向性。宇宙有可能在某個方向上膨脹速度更快，在這種情況下，宇宙微波背景輻射的信號會在這個方向上被拉伸；宇宙也有可能沿著某一條軸旋轉，這種旋轉也會在宇宙微波背景輻射信號中留下某種印記。科學家們總共做出了宇宙具有方向性的五種假設，但是他們在利用超級計算機對普朗克衛星收集到的信號進行分析之后，仍然只發現了隨機的噪音，這個結果也證明了2000年美國航空航天局發射的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）發現的宇宙有可能具有方向性的可能性只是統計上的誤差而已。宇宙中的粒子并不是均勻分布，而是聚集在一起組成了各種天體和星系，但是在大尺度上，各個方向上是均勻的。

各向同性的宇宙看起來或許有些無趣，但是時空絕非如此，物理學家們開始發現，空間可能有著更深刻的結構，而時間與空間的聯系也可能與量子糾纏有關。時空是什么？這聽起來或許更像是一個哲學問題。人類的科學都是建立在時空背景之下，似乎沒有時空，科學也就失去了依托。但是，時空是否是最本質的存在？時空的結構是什么，又是什么把時間和空間連接在了一起？越來越多的理論學家們開始關注這個問題。

量子糾纏聽起來玄而又玄，但或許它才是宇宙最基本的現象。2004年諾貝爾物理學獎得主弗朗克·韋爾切克（Frank Wilczek）就認為，糾纏現象是普遍存在的現象，并非僅限于量子領域，也并非真的難以理解。他舉例說明，假設存在一種規則：一個系統的兩個盒子中必須一個包含方形，一個包含圓形，那么在這個規則下，系統中的兩個盒子就已經處于“糾纏”狀態。如果我們在一個盒子里發現方形，我們也就立刻知道另一個盒子中包含的是圓形，反之亦然。微觀世界的量子糾纏的實質與之類似，只不過微觀世界受到不確定性原理的制約，人們無法通過測量來得到一個量子系統的全部信息。而量子糾纏現象的發生是因為我們無法獲得兩個量子系統的完備信息——因此，量子糾纏與例子中的宏觀系統的糾纏狀態的實質都是缺乏獨立性。

實際上，量子糾纏在微觀世界中是非常普遍的現象，只有少數微觀粒子不處于糾纏態。粒子之間很容易通過相互作用形成糾纏態，粒子對撞，對于一個微觀系統進行測量，都會使粒子之間相互糾纏。加拿大英屬哥倫比亞大學的理論物理學家馬克·范·拉姆斯東克（Mark Van Raamsdonk）從2009年開始思考量子糾纏現象的本質，他認為，量子糾纏現象很有可能是宇宙中比時空更為本質的現象。他結合了美國普林斯頓高等教育研究院的理論物理學家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）的理論成果，認為量子糾纏可能恰恰是時間和空間結合的關鍵。

馬爾達西那在1997年研究了兩種理想化的宇宙模型，其中一種與真實宇宙相類似，具有三個維度，充滿了微觀粒子，并且遵守廣義相對論；另一種宇宙模型只有兩個維度，同樣充滿了微觀粒子，但在其中感受不到引力的作用。馬爾達西那通過數學手段證明，這兩種看上去區別巨大的宇宙模型在數學上完全等同。拉姆斯東克受到了啟發，他利用數學方法研究宇宙模型，逐漸減少宇宙模型中的量子糾纏。他發現，當量子糾纏現象被減少到零時，宇宙中的時間與空間將不再是一個整體。換句話說，理論上，量子糾纏有可能是將宇宙中的空間和時間結合在一起的關鍵因素。

盡管這種數學上的模擬和理論上的假設尚沒有任何真正的物理學實驗予以證明，但僅僅是提出這樣的構想就已經足以令人心馳。拉姆斯東克認為自己領會到了時空更深刻的本質，但是他還需要進一步的理論證明。美國斯坦福大學的物理學家布萊恩·施溫格（Brian Swingle）在麻省理工學院研究凝聚態物理學時，使用一種稱為“張量網絡”（Tensor Network）的數學方法來預測材料的性能。他隨后發現，弦論學家們用來研究黑洞和量子引力的方法與自己的方法非常相似，他意識到其中可能有更為深刻的聯系。目前施溫格正與拉姆斯東克進行合作，試圖利用張量網絡手段進一步研究時空和量子糾纏現象的本質。

理論物理學家的武器是數學。利用數學手段，建立各種數學模型，難免出現各種奇妙的預測和假說，其中的大多數自然都難以成立。無論理論物理學家們建立怎樣或復雜或完美的模型，最終都必須通過實驗的反復驗證，才能變為真正的物理學發現，最終成為物理學理論。但是我們也必須承認，理論物理學家們暫時忽略現實意義以及實驗過程，提出的種種天馬行空般的假說，也能夠給人們帶來一種奇異的美感，也能大大拓寬我們對于自己所生活的宇宙，以及我們自身的想象。

（本文寫作參考了《自然》《科學》和《Quanta Magazine》等雜志的報道）