量子力学可以解释时空的存在吗?

2019-05-15 09:56

爱因斯坦的广义相对论表明,引力是一个质量的结果,如行星或恒星,它扭曲了时空合并的几何形状,称为时空。美国宇航局的重力探测器B宇宙飞船,在这位艺术家的插图中显示,准确测量了地球引力对其周围时空的影响,最终证明了爱因斯坦的计算。

自爱因斯坦以来,科学家们一直在思考如何理解空间和时间。在此之前,几乎所有人都认为艾萨克·牛顿已经把这一切都搞清楚了。他宣称,时间“与外部的任何东西都没有关系”。绝对空间也是它自己的东西,总是相似且不可移动,没有什么可看的,物理现实事件在一个中立的阶段独立进行。

但爱因斯坦的理论将牛顿的绝对空间和时间变成了相对论的混搭,他的方程式提出了一个合并的时空,空间和时间不再为物质和能量提供无特色的背景。以前独立和统一,空间和时间变得不可分割和变化。正如爱因斯坦在他的广义相对论中所表明的那样,物质和能量扭曲了它们周围的时空,用那个简单的(哈!)解释了引力。牛顿的引力成为时空几何所造成的错觉,正是时空的形状决定了巨大的星体的运动,这是一种对称,因为大质量的星体确定了时空的形状。

爱因斯坦时空革命的验证是在一个世纪前,当时一次日食探险证实了他的一般理论的主要预测(在一个巨大的身体边缘附近通过的精确弯曲光线,在这种情况下是太阳)。但时空仍然是神秘的。既然它不是什么东西,那么很自然地想知道它来自哪里。

现在,基于上个世纪其他伟大的物理学惊喜:量子力学的见解,一场新的革命即将回答这个问题。今天的革命提供了再次重写时空简历的潜力,也许可以解释为什么量子力学看起来如此奇怪。

量子波

“时空和引力最终必须来自其他东西,”物理学家Brian Swingle在2018年的凝聚态物理年度评论中写道。否则,很难看出爱因斯坦的引力和量子力学的数学如何能够调和它们长期存在的不相容性。爱因斯坦的引力观作为时空几何的表现,取得了巨大的成功。但量子力学也是如此,它以无误的准确度描述了原子尺度上的物质和能量。然而,试图找到适应几何引力的量子的古怪,已经遇到了强大的技术和概念障碍。

至少对于理解普通时空的尝试一直如此。但是,从替代时空几何的理论研究中可以找到可能的进展路径的线索,原则上可以思考但具有不同寻常的特性。一种这样的替代品,被称为anti de Sitter空间,奇怪地弯曲并且倾向于自身崩溃,而不是像我们生活的宇宙那样膨胀。作为研究量子引力理论的实验室,它可以提供很多东西。马萨诸塞大学的Swingle写道:“量子引力足够丰富和令人困惑,甚至模拟宇宙都可以为物理学带来巨大的影响。”

这里所说的一种奇怪类型的具有不寻常曲率的空间——称为反德西特空间,与我们所居住的宇宙完全不同,但仍然可以提供可能负责产生普通时空的量子过程的线索。

例如,对de de Sitter空间的研究表明,描述引力的数学(即时空几何)可以等同于一个较小维度的空间中的量子物理数学。想象一下全息图,一个包含三维图像的平面二维表面。以类似的方式,也许时空的四维几何可以在三维运算的量子物理数学中编码。或者您可能需要更多尺寸,需要多少尺寸是要解决的问题的一部分。

沿着这些方向的研究揭示了一种令人惊讶的可能性:时空本身可能是由量子物理学产生的,特别是被称为量子纠缠的莫名其妙的现象。

正如通常所解释的那样,缠结是连接即使远距离分离的粒子的幽灵连接。如果从共同的源发出,无论它们彼此飞离多远,这些粒子都会缠绕在一起。如果您测量其中一个属性(如旋转或极化),则可以知道相同测量的结果对另一个的结果。但在测量之前,这些属性尚未确定,许多实验证实了这一事实。似乎在一个地方的测量确定了在另一个遥远位置的测量结果。

这听起来像纠缠的粒子必须能够比光更快地进行通信。否则,我们无法想象其中一个人如何能够知道在广阔的时空中发生了什么。但他们实际上根本不发送任何消息。那么纠缠粒子如何超越分隔它们的时空鸿沟呢?也许答案是他们不必,因为纠缠在时空中不会发生,纠缠创造了时空。

至少那是关于模拟世界当前研究的启示。“时空和引力的出现是我们想要理解的量子多体物理的神秘现象,”Swingle在他的年度报告中提出。几位顶级物理学家的大力努力已经产生了理论证据,即纠缠量子态网络编织了时空结构。这些量子态通常被描述为“量子比特” - 量子信息的比特(如普通的计算机比特,但存在于1 和 0 的混合中,而不仅仅是1 或者0)。纠缠的量子比特在空间中创建具有几何的网络,其额外维度超出量子比特所存在的维数。因此量子比特的量子物理可以等同于具有额外维度的空间的几何。最重要的是,由纠缠的量子比特产生的几何结构可以很好地遵循爱因斯坦广义相对论中描述由于引力引起的运动的方程式,至少是该方向上的最新研究点。“很明显,一个具有正确属性的几何形状必须遵守运动的引力方程,”Swingle写道。“这一结果进一步证明了时空产生于纠缠的说法。”

尽管如此,仍有待证明,在具有额外尺寸的模拟宇宙中发现的线索将导致真实物理学家支撑和烦恼的普通时空的真实故事。没有人真正确切地知道现实世界中的量子过程将负责编织时空的结构。也许到目前为止在计算中做出的一些假设将证明是错误的。但是,物理学可能比以往任何时候都更深入地窥视宇宙的基础。

分享到:
收藏
相关阅读