時空之謎

莎士比亞寫道：“世界是一個舞臺……”，物理學家也傾向於這樣認為。空間似乎是力與場在其間活動的背景，但空間本身並不是由任何東西構成的——或者真的是這樣嗎？最近，科學家們開始質疑這種傳統觀念，並推測空間——以及根據廣義相對論對其的延伸，即時空——實際上是由微小的資訊塊組成的。這些資訊塊可能相互作用以創造時空併產生其屬性，例如時空中的曲率導致引力的概念。如果是這樣，這個想法可能不僅可以解釋時空，還可以幫助物理學家實現一個長期尋求的目標：量子引力理論，它可以融合廣義相對論和量子力學，這兩種偉大的宇宙理論往往格格不入。最近，這種可能性的激動人心之處吸引了數百名物理學家，他們每三個月左右在“量子位元到萬物”專案的旗幟下聚會。“量子位元到萬物”專案（It from Qubit）的名稱由此而來。

這裡的“萬物”指的是時空，而量子位元（發音為“cue-bit”，來自“quantum bit”）代表最小可能的資訊量——量子尺度的計算機“位元”。這個想法表明宇宙是由一些底層程式碼構建起來的，透過破解這個程式碼，物理學家最終將有一種方法來理解宇宙中大規模事件的量子本質。“量子位元到萬物”（IfQ）最近一次會議於7月在安大略省的 Perimeter 理論物理研究所舉行，組織者預計約有 90 名註冊者。結果，他們收到了如此多的申請，不得不擴容到 200 人，並在其他大學同時舉辦五個衛星會議，科學家可以在那裡遠端參與。“我認為這是通往量子引力的最有希望的研究途徑之一，如果不是最有希望的話，”普林斯頓大學的博士後研究員內塔·恩格爾哈特說，她沒有正式參與“量子位元到萬物”專案，但參加過它的一些會議。“它正在蓬勃發展。”

由於該專案涉及量子計算機科學以及時空和廣義相對論的研究，它彙集了兩組通常不傾向於合作的研究人員：一方面是量子資訊科學家，另一方面是高能物理學家和絃理論家。“它將兩個傳統上不同的領域結合在一起：資訊如何在量子事物中儲存，以及資訊如何在空間和時間中儲存，”賓夕法尼亞大學的物理學家維傑·巴拉蘇布拉曼尼安說，他是 IfQ 的首席研究員。大約一年前，西蒙斯基金會，一個支援科學和數學研究的私人組織，授予了一筆贈款，以建立“量子位元到萬物”合作專案，並資助物理學家研究和舉辦關於該主題的會議。從那時起，興奮感與日俱增，隨後的會議吸引了越來越多的研究人員，其中一些是西蒙斯基金會資助的合作專案的正式成員，還有許多人只是對這個話題感興趣。“這個專案正在解決非常重要的問題，但也是非常困難的問題，”IfQ 合作者、Perimeter 研究所的博士後研究員貝尼·吉田說。“合作是必要的——這不像一個人可以解決這個問題。”甚至專案以外的科學家也注意到了。“如果與量子資訊理論的聯絡被證明像某些人預期的那樣成功，它很可能引發我們對空間和時間的理解的下一次革命，”哥倫比亞大學的弦理論家布萊恩·格林說，他沒有參與 IfQ。“這是一件大事，非常令人興奮。”

關於支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。

糾纏時空

時空具有位元或者是由任何東西“構成”的概念，與廣義相對論的傳統圖景有所不同。根據新的觀點，時空可能不是根本的，而是可能透過這些位元的相互作用“湧現”出來。那麼，這些位元究竟是由什麼構成的，它們包含什麼樣的資訊呢？科學家們不知道。然而，有趣的是，IfQ 合作者、斯坦福大學的博士後研究員布萊恩·斯溫格說，“重要的不是位元本身，而是位元之間的關係”。“這些集體的關係是豐富性的來源。這裡的關鍵不是構成要素，而是它們組織在一起的方式。”

這種組織的關鍵可能是被稱為量子糾纏的奇怪現象——粒子之間可能存在的一種奇特的關聯，其中對一個粒子執行的動作可能會影響另一個粒子，即使它們之間相隔很遠。“最近一個絕對引人入勝的提議是，時空結構是由時空的底層‘原子’的量子糾纏編織而成的，”巴拉蘇布拉曼尼安說。“如果這是真的，那就太棒了。”

這個量子糾纏的動畫展示了在國家標準與技術研究院進行的實驗中糾纏的兩個離子。來源：NIST

這個想法背後的推理來自於物理學家早期的幾項發現，例如 2006 年柳伸世和高柳匡發表的一篇論文，該論文展示了糾纏與時空幾何之間的聯絡。在這些工作的基礎上，2013 年，胡安·馬爾達西那和倫納德·薩斯坎德發現，如果兩個黑洞變得糾纏，它們將創造一個蟲洞——廣義相對論預測的時空中的捷徑。這項發現（暱稱 ER=EPR，以物理學家對蟲洞和糾纏的簡寫命名）和其他類似的發現令人驚訝地表明，糾纏——以前被認為不涉及物理聯絡——可以在時空中產生結構。

為了理解糾纏如何產生時空，物理學家首先必須更好地理解糾纏是如何工作的。自從愛因斯坦和他的合作者在 1935 年預測到這種現象以來，它一直被認為是“幽靈般的”，用愛因斯坦的話來說。最近，科學家們一直在研究可能存在的各種糾纏。例如，傳統的糾纏涉及在空間中散佈的多個同類型粒子中連線單個特徵（例如粒子的自旋）。但是，也可以在一個位置將某種型別的多個粒子與同一位置的不同型別的粒子糾纏。“那不是空間中的糾纏，”巴拉蘇布拉曼尼安說。“我已經意識到，還有其他形式的糾纏對於重建時空的專案來說是相關的——傳統的糾纏是不夠的。”科學家們還在解決糾纏更多數量粒子的令人困惑的複雜性問題。

一旦糾纏的動力學變得更加清晰，科學家們希望理解時空是如何湧現的，就像空氣中原子的微觀運動產生熱力學和天氣的複雜模式一樣。“這是一種湧現現象——當你從某事物中放大時，你會看到一幅不同的畫面，你不會知道這幅畫面是由於較小的動力學而產生的，”恩格爾哈特說。“這是‘量子位元到萬物’專案最令人著迷的事情之一，因為我們不理解時空從中湧現出來的基本量子動力學。”

宇宙全息圖

所有這些工作的主要目標是最終實現一個從量子角度描述引力的理論。然而，追求這個目標的物理學家們已經受阻一個世紀之久——愛因斯坦本人也頑強地追求這樣的理論，直到去世，但沒有成功。“量子位元到萬物”專案的科學家們寄希望於一個被稱為 全息原理 的想法來幫助他們。

這個原理表明，一些物理理論等同於在較低維度宇宙中工作的更簡單的理論，就像一張帶有獨角獸全息圖的 2D 明信片可以包含描述和描繪獨角獸 3D 形狀所需的所有資訊一樣。由於找到一個可行的量子引力理論非常困難，因此，物理學家們的目標可能是發現一個等效的、更易於使用的理論，該理論在維度比我們宇宙少的宇宙中執行。

全息原理最成功的體現之一是馬爾達西那在 1997 年在弦理論框架內發現的 AdS/CFT 對偶性。弦理論本身就是對量子引力理論的一種嘗試，它用微小的振動弦取代了自然界的所有基本粒子。在 AdS/CFT 對偶性中，馬爾達西那表明，人們可以完全透過描述黑洞表面發生的事情來描述黑洞。換句話說，內部——3D“體”——的物理學與外部——2D“邊界”——的物理學完美對應。

AdS/CFT 可能允許物理學家發現一個等同於量子引力的理論，完成所有相同的目標，並且可以描述所有相同的物理學，但更易於使用——完全忽略引力。“具有引力的理論很難獲得量子描述，而沒有引力的理論則更容易完全描述，”巴拉蘇布拉曼尼安說。但是，有人可能會問，一個忽略引力的理論怎麼可能成為“量子引力”理論呢？也許我們認為的引力和時空只是看待糾纏最終結果的另一種方式——換句話說，糾纏可能以某種方式將來自 3D 體的資訊編碼到儲存在 2D 邊界上的位元中。“這是一個非常令人興奮的方向，”他補充道。

在過去的 20 年裡，科學家們發現 AdS/CFT 對偶性是有效的——一個 2D 理論可以描述一個 3D 情況——但他們並不完全理解為什麼。“我們知道這兩個理論是對偶的，但目前尚不清楚是什麼使對偶性起作用，”斯溫格說。“[IfQ] 您可以期望的一個成果是對這些對偶性如何產生的理論。我認為這絕對可以並且將會作為這次合作的結果，或者至少是朝著這個方向取得重大進展。”

量子資訊理論可能能夠提供幫助，因為事實證明，來自該領域的一個熟悉的概念，量子糾錯碼，可能在 AdS/CFT 對偶性中發揮作用。在量子計算機中，量子糾錯碼是科學家設計的一種方法，用於幫助保護資訊免受丟失，如果任何特定位元之間的糾纏被破壞。量子計算機不使用單個位元來編碼資訊，而是使用多個位元的高度糾纏態來代表每個位元，因此單個錯誤不會影響整體位元。“似乎存在一個底層的數學結構，量子糾錯碼和 AdS/CFT 都有共同之處，”耶路撒冷希伯來大學的 IfQ 首席研究員、量子資訊科學家多麗特·阿哈羅諾夫說。在計算機中，這種冗餘被用於糾正錯誤，但在 AdS/CFT 中，它可能能夠將體積物理學編碼到邊界上的糾纏態中。“在黑洞內部發現量子糾錯碼非常有趣，”她說。“為什麼會發生這種情況？這些聯絡真是令人著迷。”

如果物理學家最終確實理解了 AdS/CFT 對偶性是如何工作的——並提出了一個可以代表量子引力的低維理論——他們仍然沒有獲得最終的勝利。對偶性本身只在一個“玩具模型”的宇宙中起作用，這個宇宙相對於我們居住的完全實現的宇宙而言是有些簡化的。“AdS/CFT 有一種引力，但它不是我們生活在其中的膨脹宇宙中的引力理論，”斯溫格說。“它描述了一個宇宙，就好像它在一個瓶子裡一樣——如果你照射一束光，它會從空間的牆壁上反彈。這在我們膨脹的宇宙中不會發生。”這個模型為物理學家提供了一個有用的理論遊樂場，可以在其中測試他們的想法，簡化的圖景使得解決量子引力變得更容易。“您可以希望它是在最終理解我們自己宇宙中的引力的過程中一個有用的中轉站，”斯溫格解釋說。

一些懷疑論者質疑，如果 IfQ 是基於不現實的基礎之上，它能有多大的成果。“這當然是一個非常有效的批評：我們為什麼要專注於這個玩具模型？”恩格爾哈特說。“所有這些都取決於玩具模型的有效性，以及玩具模型最終代表我們宇宙的想法。我想確保如果我們理解了玩具模型，我們就理解了真實情況。”

回報

無論“量子位元到萬物”專案最終是否會實現統一理論的聖盃，專案內外科學家都表示，這種方法值得嘗試，並且已經開闢了許多新的研究途徑。“我一直覺得量子資訊和量子引力之間的關係具有根本的重要性，”加州大學伯克利分校的物理學家拉斐爾·布索說，他沒有參與 IfQ，但曾與它的一些合作者合作。“這種聯絡多年來不斷加深，我很高興看到如此多傑出的科學家現在共同努力，共同面對這些問題，看看它們將把我們引向何方。”斯坦福大學理論家伊娃·西爾弗斯坦沒有參與合作，她也表示贊同。“顯然，將量子資訊應用於這些問題是值得的。但是，要理解[量子引力]的動力學，還需要更多，並且對於該領域來說，不要過於狹隘地關注單一方法非常重要。”

此外，即使該專案沒有在量子引力理論方面取得成果，它仍然可能產生有益的衍生效應。例如，將弦理論和廣義相對論的技術和思想應用於量子資訊問題，可以幫助更好地定義可能存在的不同型別的糾纏，既可以用於理解時空，也可以用於構建量子計算機。“當你開始在一個新的環境中玩弄這些工具時，很可能會產生有趣的想法，並且可能在其他領域有用，”阿哈羅諾夫說。“看起來人們在多年前就已經存在的問題上取得了進展，所以這令人興奮。”例如，科學家們發現，透過將蟲洞視為量子電路，測量蟲洞內的時間可能是可能的。

此外，將量子資訊科學與弦理論相結合可能不僅有助於推匯出量子引力理論，還有助於評估研究人員發現的任何理論。“一旦我們真正設法提出一個足夠詳細的量子引力物理理論，我們就會問一個關鍵問題——這個模型的計算能力是什麼？”阿哈羅諾夫說。任何物理理論都可以被認為是一個計算模型，它的輸入和輸出類似於理論的初始狀態和可以測量的後期狀態——任何計算模型都具有計算能力。“如果這種能力太大，如果我們的量子引力模型能夠計算出我們認為在我們的世界中無法計算的東西，那至少會在該理論上打上一個問號。這是一種從不同角度判斷該理論是否合理的方法。”

該專案讓一些物理學家想起了過去其他偉大思想剛剛起步的激動人心的日子。“我於 1984 年成為研究生，當時所謂的‘第一次弦理論革命’發生了，”加州理工學院的物理學家大栗博司說，他一直在研究 IfQ。“那是一個非常激動人心的時刻，弦理論成為自然界所有力的統一理論的主要候選者。我確實看到了目前圍繞這一領域的爆炸性興奮與之類似。對於該領域的年輕人以及我們這些幾十年前獲得博士學位的人來說，這顯然是一個激動人心的時刻。”