时间和空间都是幻觉吗？它们源自量子纠缠还是纯粹的信息？答案或许隐藏在黑洞之中
文摘
科学
2024-07-11 17:53
北京
时空的本质是什么？物理学家认为，量子纠缠可能与时空的产生有关，或者信息是时空的根源。究竟哪种理论更接近真相？探索黑洞内的奇点，或许能为解开时空本质提供关键线索。
文 | 陈强
视觉设计 | 李梅
我们习惯将时间和空间视为宇宙的基本构成。然而，对于物理学家来说，时空是构成宇宙的基本元素，还是由更深层次的东西衍生出来，仍是一个悬而未决的问题。时空本质不仅仅是哲学家讨论的形而上学问题，事实上，它对物理研究和计算结果有着直接的影响。物理学家提出了多种理论来揭示时空的起源，并认为研究黑洞是揭示时空本质的关键。探索时空本质的最佳起点是量子力学。量子力学描述了微观粒子的行为，其中一些概念常常与我们的直觉相违背。一个典型的例子就是量子纠缠。量子纠缠是指粒子在相互作用后，即使分开并相隔遥远的距离，仍能保持某种联系，并能瞬间影响彼此的状态。量子纠缠似乎超越了时空的限制，暗示着量子纠缠与时空之间有着更深层次的关系。现在，物理学家普遍认为，量子纠缠与空间的出现密切相关。事实上，如果我们知道两个微观粒子之间的纠缠程度，就可以推导出它们之间的距离。对大量的粒子进行同样的操作，我们就可以推导出相应的几何结构，进而产生我们所熟知的空间。也许，空间正由量子纠缠产生的。弦理论也为探索时空本质带来了新的视角。弦理论是一种试图统一广义相对论和量子力学的“万物理论”，核心理念是所有基本粒子都是由一维的“弦”构成的，而“弦”的不同振动模式对应着不同的基本粒子。更为关键的是，弦理论包含了一个名为“全息原理”（holographic principle）的理论。全息原理认为，一个空间的所有性质可以用它边界上的数据来描述。换句话说，整个宇宙空间的信息都能编码在它的边界上。美国加州理工学院的物理学家斯皮里顿·米哈拉基斯（Spyridon Michalakis）与约翰斯·霍普金斯大学的物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）以及弗吉尼亚理工大学的物理学家查尔斯·曹（Charles Cao）合作，对时空的起源提出了一个解释。他们认为，时空边界上粒子间的量子纠缠产生了“距离”，这种距离转化为“测地线”，即粒子在宇宙中运动的轨迹。这些测地线组合在一起，可产生一种几何结构，类似于广义相对论所描述的弯曲时空。此外，也有物理学家认为，我们所观察到的物体随时间变化的现象，实际上是由于该物体与一个时钟处于量子纠缠状态所导致的。这表明，时间也可能是量子纠缠的产物。问题是，即使时空是由边界上粒子间的量子纠缠产生的，这也并没有解释为什么会有边界这种存在。一些物理学家提出了新的理论，认为信息本身可能是一切的根源。英国牛津大学的物理学家戴维·多伊奇（David Deutsch）和基亚拉·马尔莱托（Chiara Marletto）共同提出了“构造子理论”（constructor theory），旨在用物理系统的可能转换来表达所有的物理定律，同时将一切归结为信息量。根据构造子理论，宇宙本身就像一台巨大的信息处理器。而时空可能源于某种基于信息的机制。当然，构造子理论仍处于起步阶段，物理学家仍需进行更多的研究来完善这一理论。尽管时空本质尚未有定论，物理学家认为，通过研究黑洞，我们或许能够揭开宇宙最深层的奥秘。现有的物理理论预言，黑洞中心存在一个体积无限小、密度无限大、引力无限大的奇点。在那里，时空将会走向崩溃。物理学家认为，时空的崩溃与其产生过程密切相关，因此，理解这个无限小的点可能有助于揭示时空本质。然而，我们或许永远无法完全描述或了解黑洞中心的奇点，因为奇点总被事件视界所包裹。事件视界是黑洞的有去无回的边界，阻挡着我们获取黑洞内奇点的信息。因此，物理学家只能依靠理论推测奇点的性质。或许就像科幻电影《星际穿越》（Interstellar）中所描绘的那样，在未来，我们能够找到探测奇点的方法，并揭开时空起源的奥秘。参考文献：
https://arxiv.org/abs/1606.08444
http://dx.doi.org/10.1007/s11229-013-0279-z
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