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宇宙最基本的成分并非物质,而是信息?

科技资讯  2018年7月31日 10:34  来源:新浪科技
摘要:从分子到原子,再到更为基础的粒子……物理学家一路向着更微观的世界摸索。一个随之而来的问题是,这个宇宙最基本的成分究竟是什么?是量子纠缠,还是纠缠态之下更为基础的信息?现在,我们距离答案又近了一步……

  来源:环球科学ScientificAmerican

绘图:Harriet Lee-Merrion绘图:Harriet Lee-Merrion

  从分子到原子,再到更为基础的粒子……物理学家一路向着更微观的世界摸索。一个随之而来的问题是,这个宇宙最基本的成分究竟是什么?是量子纠缠,还是纠缠态之下更为基础的信息?现在,我们距离答案又近了一步……

  当你展开双手时,你好奇过它们是由什么组成的吗?显而易见,皮肤覆盖着肉体、血液和骨骼。这些身体组织由分子组成,分子由原子组成,原子又由电子、质子和中子构成。而当我们追溯到基本粒子和能量的层面时,才上升到问题的本质。

  然而,我们真的已经深入本质了吗?纵观物理学史,在过去的三百多年中,我们一直在探索现实的本质——物质到底是由什么构成的。一次又一次,我们发现比已知更深入的层次。而每突破到一个新的层次,我们对现实的理解就会被刷新。

  量子理论、广义相对论是当今解释现实最为成功的理论,但却互不兼容。随着这两个理论之间的矛盾不断被调和,如今我们也许就处在下一个突破的边缘。粒子、能量、空间、时间,或者任何我们可能认为是最基本物质的东西都不是现实的本质。而关于这个问题的真正答案,我们才刚刚开始窥探到。

  现实本质的探索历程

  对于构成现实的基本元素,在每个时代都有不同的版本。哲学家德谟克利特(原子论的创始人之一)认为,所有物质都是由原子组成的。而亚里士多德认为现实的本质是土、空气、水和火。在十九世纪末期,人们的关注点转移到了以太上,即所谓光的传播媒介。

  然而,在过去的三个世纪中,牛顿重塑了我们对物质组成的认识。他认为现实由三个基本部分构成:时间,有质量的粒子,和一个允许粒子在其中运动的空间。基于这三个基本组成部分,牛顿建立了一套理解宇宙运行原理的体系,并成功地解释了大多数现象。然而,当粒子的运动速度接近光速时,牛顿的理论就捉襟见肘了。

  但即使没有这个限制,牛顿的体系也不能解释一切。尽管它描述了万有引力(使得有质量物体在宇宙中运动的吸引力),但却不能解释这种力的本质。另外,宇宙之中的其他力也同样神秘,比如电磁力。一直以来,我们对现实本质成分的讨论从未停止(见下图)。

  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。

  范拉姆斯多克的研究成果使马尔达西纳和他的同事——斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)提出了一个大胆的假说:时空总体上是由纠缠现象产生的。这个假说窥探到了更深层的现实本质。

  但这也只是管中窥豹,尚未形成完整的理论。萨斯坎德开始在细节层面进行更多的思考,比如在一个独特的背景——单黑洞体系内,他们的假说如何立足。这些宇宙怪物(黑洞)吞噬物质,并在其体内创造长条形的时空。“量子纠缠值尚未大到能够解释黑洞中发生了什么。” 萨斯坎德表示。

  但我们尚未走进死胡同。萨斯坎德表示:“还有另一个超出纠缠限度的因素,即复杂性限度。” 量子系统可以存在于多个不同量子态的叠加中,复杂度随着量子态数量的增加呈指数增长。萨斯坎德认为,黑洞量子复杂度的增加可能与黑洞内部时空的形成有关,尽管他还不知道其背后的原理。

  然而,上述理论还有一个根本问题。虽然该理论是由马尔达西纳对偶衍生而来的,但是其数学原理表明,已存在的时空是产生新时空的必要条件。加州理工学院的肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)认为,如果时空的产生不是一个从无到有的过程,我们就不能说其形成与量子现象有关,即使他认为二者存在一些本质上的关联。卡罗尔正试图理解这种关联,但却并没有从马尔达西纳对偶出发。“不然不就是作弊了吗。”他说。

  卡罗尔和他的同事采取了另一种方法。他们暂时先不考虑令人迷惑的时间,转而着手研究一种叫做“希尔伯特空间”的抽象数学对象。希尔伯特空间的元素代表了一个量子系统所有可能的量子态。任何一个希尔伯特空间都可以被认为是由更小的希尔伯特空间堆积而成的。卡罗尔的团队研究了各种希尔伯特空间,找到了组成这些空间的更小的空间,并且得到了它们之间的量子纠缠值。随后,他们尝试绘制出这样的一个图像,其中组成希尔伯特空间的小空间之间量子纠缠值越大,它们在图上就离得越近。他们的问题是:这种图像可以再现空间平滑的几何特征吗?

  对于任何以往获得的图像,答案是否定的。“它们简直是一团乱麻。”卡罗尔说。但是他的团队找到了一些可能派上用场的图像。“恰好有几个特定的量子态看起来非常几何化,这些正是我们要找的。”卡罗尔对这些图像来说,在图中从一个点移动到另一个点的路径相对比较平滑,所以我们所观察到的空间平滑的几何特征可能是由一个纯量子系统产生的。

  信息构成的时空

  无论是卡罗尔还是马尔达西纳的思路都只能帮我们到这里了。空间和时间由量子纠缠或者量子复杂性组成是很好的想法,但是量子纠缠和量子复杂性是由什么组成的呢?这正是我们接近现实本质的地方,因为卡罗尔和马尔达西纳的思路都指向了同一个引人入胜的答案:信息

  1948年,数学家及工程师克劳德·香农(Claude Shannon)给了“信息”一个简洁的定义。他提出,比特流或者字符串中的信息量与信息的熵有关。熵越大,信息就越多。例如,一串仅由000这个3比特长的数字组成的流所含的信息量,就低于一串由001,101或者111组成的流所蕴含的信息量。

  那么信息如何成为万物的本质呢?纠缠即是信息:两个系统间的纠缠度越高,它们共享的信息就越多。但值得警惕的是,香农定义的信息必须切实存在并具有实际作用。在去年的实验中,一台纳米机器能使用信息来冷却金属,然而时空背后的量子信息肯定与此有所区别。一个字符串中的信息是有意义的,但不同的是,在卡罗尔的研究中,导致空间产生的量子信息只是存在而已。“量子态是没有实际意义的,” 卡罗尔说,“它只是我们对宇宙最好的数学描述。”

  卡罗尔说,量子信息是一切物质的本质,这一说法其实很有道理卡罗尔。如果你从量子力学着手,而且不假设任何事物的存在,那么“你需要考虑的就只有量子信息”。这就使得信息成为了宇宙的基本成分。“有的人甚至觉得信息是宇宙中唯一的存在。”卡罗尔说。

绘图:Harriet Lee-Merrion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”。