值得一提的是史蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受:宇宙有限而无界,只不过比地球多了几维。
比如,我们的地球就是有限而无界的。
在地球上,无论从南极走到北极,还是从北极走到南极,你始终不可能找到地球的边界,但你不能由此认为地球是无限的。
实际上,我们都知道地球是有限的。
地球如此,宇宙亦是如此。
现今,我们迫切地需要将量子理论和广义相对论统一起来。
前者是我们对微观世界的最佳描述,而后者是爱因斯坦关于万有引力的天才理论。
当我们试图描述黑洞或者大爆炸时,我们需要结合二者,但这看起来却是不可理喻的。
不合理之处在于,量子理论认为力是由离散的量子组成的,但是广义相对论认为万有引力是连续的。
目前,所有试图量化万有引力的努力都失败了——但是这些尝试为我们探索两种理论的共同点提供了线索。
上世纪九十年代末,一项革命性的研究改变了我们对于这一问题的认识。
当时,胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)在普林斯顿高等研究院研究弦理论。
弦理论企图解决上述两种理论的纠纷:弦理论认为,基本粒子由一维“弦”的振动产生。
马尔达西纳通过研究证明:对于一个时空区域,使用弦理论描述其内部的万有引力在数学层面上与一组量子方程等价。
这组量子方程描述了该时空区域的边界,但不包括万有引力。
我们将他的发现称为“马尔达西纳对偶”。
尽管术语听起来非常高深,但这一发现强烈暗示了广义相对论和量子力学之间的联系。
量子纠缠创造时空? 这种对偶和另一个物理概念也存在有趣的关联。
1935年,爱因斯坦和他的同事纳森·罗森(Nathan Rosen)证明了两个黑洞可以被一段扭曲的时空(“爱因斯坦-罗森桥”,俗称虫洞)连接。
2001年,马尔达西纳用他的对偶证明了虫洞产生于两个黑洞量子态的纠缠,即两个黑洞如同幽灵,可以在一定距离外相互影响对方。
2009年,马克·范拉姆斯多克(Mark Van Raamsdonk)在加拿大的不列颠哥伦比亚大学针对这个问题展开进一步研究:改变两个黑洞之间的纠缠度会产生什么结果。
他发现,这种改变能够控制虫洞的宽度:当黑洞之间的纠缠度提高,虫洞会变大;
当纠缠度降低到一定程度时,两个黑洞之间的关联就会被掐断(如下图)。
看来如广义相对论所描述,量子纠缠可以创造时空。
绘图:Harriet Lee-Merrion 德国法兰克福高等研究院的扎比内·霍森费尔德(Sabine Hossenfelder)认为,我们也许能够检验上述想法。
“完美事物的存在越来越不可能了。
”她说。
看看我们已知最完美的结构之一:晶体,由精确重复的分子单元组成。
在现实中,就算最纯的晶体也有瑕疵。
如果时空由更基础的组成单元,类似的事情就可能会发生。
“如果时空不是最基础的物质,其中就应该有瑕疵。
” 霍森费尔德说。
这些瑕疵会导致一些违背广义相对论的瞬间,而我们可能通过监测数十亿光年外的光探测到它们。
要完成这样的测试,我们还有很长的路要走。
而且,不论如何,我们还是要对这一切研究的起点——马尔达西纳对偶保持怀疑。
马尔达西纳考虑的空间和真实的空间不尽相同。
他所研究的AdS空间(anti-de Sitter space)在数学上更简单,并且有明确定义的边界和内部空间,马尔达西纳才得以将二者联系起来。
马尔达西纳的理论看起来争议不大,但我们所观察到的宇宙中的空间与他所研究的很不同。
重点在于,真实的空间在不断加速膨胀。
这说明我们的宇宙没有明确的边界,所以我们还不清楚马尔达西纳对偶是否适用于真实的空间。
如果答案是否定的,所有根据马尔达西纳对偶得出的结论就都有问题了。
但就算我们的宇宙没有边界,它确实也有个范围。
在这个范围之外,没有任何事物可以进入这个宇宙,即使是光也不可以。
这也许能够给我们指出前进的方向。
去年11月,阿姆斯特丹大学的埃里克·韦尔兰德(Erik Verlinde)根据这个范围和一系列假设提出,量子纠缠其实和我们宇宙的时空有关。
“我的理论受到了萨斯坎德和马尔达西纳的启发。
”韦尔兰德说。
基于这个飞跃,他导出了一种爱因斯坦方程的变体,并证明了时空和万有引力如何产生于量子纠缠。
这一结果在普通的空间中也适用。
虽然韦尔兰德的假设存在大量争论,但是他的成果也很振奋人心。
他的研究为物理学中最大的谜题之一——暗能量提供了一种解释。
暗能量被认为导致了空间的扩张,但是在Verlinde的框架中,这种效果是自然产生的,并没有暗能量的参与。
如果韦尔兰德是对的,那么在真实世界中,空间和时间或许的确是由信息构成的。
如此一来,这个世界中表面上的现实都是幻觉,在它的背后是转瞬即逝的信息。
但是对于萨斯坎德来说,由0和1组成的现实至少有种诗意的美好。
他说,我们某一天也许能够将整个宇宙编成一首诗:“啊,一切都是信息”。