人們一直認為空間是理所當然的。畢竟，它只是空虛，是萬物的背景。同樣，時間也在不停地流逝。但是，如果物理學家從漫長的理論統一之路上學到了什麼，那就是空間和時間構成了一個極其複雜的系統，它可能會超出我們最熱切的理解努力。
早在1916年11月，阿爾伯特·愛因斯坦就預見到了這一點。一年前，他提出了廣義相對論，該理論假設引力不是在空間中傳播的力，而是時空本身的特徵。當你把球高高拋向空中時，它會呈弧線落回地面，這是因為地球扭曲了周圍的時空，從而使球和地面的路徑再次相交。在一封給朋友的信中，愛因斯坦思考了將廣義相對論與他的另一個心血結晶——新興的量子力學理論——相結合的挑戰。那不僅會扭曲空間，還會瓦解空間。在數學上，他幾乎不知道從何開始。“我已經在這方面折磨自己多久了！”他寫道。
愛因斯坦從未取得多大進展。即使在今天，關於量子引力理論的競爭性想法也幾乎與研究該主題的科學家一樣多。爭議掩蓋了一個重要的真相：相互競爭的方法都認為空間是從更深層次的東西衍生出來的——這種觀點打破了2500年的科學和哲學理解。
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墜入黑洞
廚房磁鐵巧妙地展示了物理學家面臨的問題。它可以抓住回形針，抵抗整個地球的引力。引力比磁力、電力或核力都弱。它所具有的任何量子效應都更弱。這些過程發生的唯一有形證據是早期宇宙中物質的斑駁圖案——據認為，部分原因是引力場的量子漲落造成的。
黑洞是量子引力的最佳測試案例。“這是我們最接近實驗的東西，”馬里蘭大學帕克分校的泰德·雅各布森說。他和其它理論家研究黑洞作為理論支點。當您採用在實驗室條件下執行良好的方程式並將它們外推到最極端的可能情況時，會發生什麼？會顯現出一些細微的缺陷嗎？
廣義相對論預測，落入黑洞的物質在接近中心時會被無限壓縮——這是一個被稱為奇點的數學死衚衕。理論家無法將物體的軌跡外推到奇點之外；它的時間線在那裡結束。甚至談論“那裡”也是有問題的，因為定義奇點位置的時空本身就不復存在。研究人員希望量子理論能夠將顯微鏡聚焦在該點上，並追蹤落入其中的物質會變成什麼。
在黑洞的邊界之外，物質沒有那麼壓縮，引力較弱，並且按理說，已知的物理定律應該仍然成立。因此，它們不成立就更加令人費解了。黑洞以事件視界為界，這是一個不歸點：落入其中的物質無法再出來。下降是不可逆轉的。這是一個問題，因為所有已知的基本物理定律，包括通常理解的量子力學定律，都是可逆的。至少在原則上，您應該能夠反轉所有粒子的運動並恢復您擁有的東西。
在19世紀後期，當物理學家思考“黑體”的數學時，他們也面臨著非常相似的難題，“黑體”被理想化為一個充滿電磁輻射的空腔。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的電磁理論預測，這樣的物體會吸收所有照射到它的輻射，並且它永遠無法與周圍的物質達到平衡。“它會從保持在固定溫度的儲熱器中吸收無限量的熱量，”安大略省 Perimeter 理論物理研究所的拉斐爾·索金解釋說。從熱學的角度來看，它的溫度實際上將是絕對零度。這個結論與對真實黑體（例如烤箱）的觀測結果相矛盾。在馬克斯·普朗克工作的基礎上，愛因斯坦證明，如果輻射能以離散單元或量子形式出現，黑體就可以達到熱平衡。
理論物理學家們近半個世紀以來一直試圖為黑洞實現類似的解決方案。劍橋大學已故的斯蒂芬·霍金在1970年代中期邁出了巨大一步，當時他將量子理論應用於黑洞周圍的輻射場，並表明它們具有非零溫度。因此，它們不僅可以吸收能量，還可以輻射能量。儘管他的分析將黑洞納入了熱力學範疇，但它加深了不可逆性的問題。外向輻射從黑洞邊界之外發出，並且不攜帶有關內部的資訊。它是隨機的熱能。如果您反轉該過程並將能量反饋回去，那麼落入其中的東西不會彈出來；您只會獲得更多的熱量。而且您無法想象原始物質仍然在那裡，只是被困在黑洞內部，因為隨著黑洞輻射能量，它會縮小，並且根據霍金的分析，最終會消失。
這個問題被稱為資訊悖論，因為黑洞破壞了有關入射粒子的資訊，這些資訊本可以讓你倒轉它們的運動。如果黑洞物理學真的是可逆的，那麼一定有什麼東西將資訊帶回出來，而我們對時空的概念可能需要改變以允許這種情況發生。
時空原子
熱是微觀部分的隨機運動，例如氣體的分子。由於黑洞會變熱和冷卻，因此有理由認為它們有部分——或者更籠統地說，是微觀結構。而且由於黑洞只是空的空間（根據廣義相對論，入射物質會穿過視界但無法停留），因此黑洞的部分一定是空間本身的部分。正如一片空曠的空間可能看起來那樣普通，它卻具有巨大的潛在複雜性。
即使是旨在保留傳統時空概念的理論，最終也得出結論，在看似平淡無奇的外表之下，隱藏著某種東西。例如，在1970年代後期，現任德克薩斯大學奧斯汀分校的史蒂文·溫伯格試圖以與自然界的其他力大致相同的方式來描述引力。他仍然發現，時空在其最精細的尺度上被徹底地修改了。
物理學家最初將微觀空間視覺化為小塊空間的馬賽克。他們認為，如果您放大到普朗克尺度，即幾乎無法想象的小尺寸 10−35 米，您會看到類似棋盤的東西。但這不可能完全正確。首先，棋盤空間的網格線會使某些方向優先於其他方向，從而產生與狹義相對論相矛盾的不對稱性。例如，不同顏色的光可能會以不同的速度傳播——就像在玻璃稜鏡中一樣，玻璃稜鏡將光折射成其組成顏色。雖然小尺度上的效應通常很難看到，但違反相對論實際上會相當明顯。
黑洞的熱力學進一步質疑了將空間視為簡單馬賽克的影像。透過測量系統的熱行為，您至少在原則上可以計算其部分。倒入能量並觀察溫度計。如果溫度驟升，則該能量必須分佈在相對較少的分子上。實際上，您正在測量系統的熵，它代表了系統的微觀複雜性。
如果您對普通物質進行此練習，則分子的數量會隨著材料的體積而增加。這是理所當然的：如果您將沙灘球的半徑增加10倍，那麼內部的分子的數量將增加1000倍。但是，如果您將黑洞的半徑增加10倍，則推斷出的分子數量僅增加100倍。構成它的“分子”的數量必須與它的表面積成正比，而不是與它的體積成正比。黑洞可能看起來是三維的，但實際上，它的行為就好像它是二維的一樣。
這種奇怪的效應被稱為全息原理，因為它讓人聯想到全息圖，全息圖向我們展示為一個三維物體。然而，仔細檢查後，它原來是由二維膠片產生的影像。如果全息原理計算空間及其內容的微觀組成部分——正如物理學家普遍（儘管並非普遍）接受的那樣——那麼構建空間一定比拼接小塊空間需要更多。
無論如何，部分與整體的關係很少如此簡單。一個 H2O 分子不僅僅是一小塊水。考慮一下液態水的作用：它流動，形成液滴，攜帶漣漪和波浪，以及凍結和沸騰。單個 H2O 分子都不能做到這些：這些是集體行為。同樣，空間的構成要素不必是空間的。“空間的原子不是空間的最小部分，”德國慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學的丹尼爾·奧裡蒂說。“它們是空間的組成部分。空間的幾何特性是由許多此類原子組成的系統的新穎的、集體的、近似的特性。”
這些構成要素究竟是什麼取決於理論。在圈量子引力中，它們是透過應用量子原理聚合的體積量子。在弦理論中，它們是類似於電磁場的場，存在於移動的能量弦或環所描繪的表面上——這就是命名為弦的原因。在與弦理論相關並可能成為其基礎的M理論中，它們是一種特殊型別的粒子：收縮成點的膜。在因果集理論中，它們是透過因果關係網相關的事件。在振幅面體理論和其它一些方法中，根本沒有構成要素——至少在任何傳統意義上都沒有。
儘管這些理論的組織原則各不相同，但所有理論都努力堅持17和18世紀德國哲學家戈特弗裡德·萊布尼茨的所謂關係主義的某種版本。廣義而言，關係主義認為空間是從物體之間某種關聯模式中產生的。在這種觀點中，空間就像一個拼圖遊戲。您從一大堆碎片開始，看看它們是如何連線的，並相應地放置它們。如果兩個碎片具有相似的屬性，例如顏色，則它們可能彼此靠近；如果它們差異很大，則可以嘗試將它們分開很遠。物理學家通常將這些關係表示為一個具有特定連線模式的網路。這些關係由量子理論或其它原則決定，空間排列隨之而來。
相變是另一個共同主題。如果空間是組裝起來的，它也可能被拆解；那麼它的構成要素可能會組織成看起來完全不像空間的東西。“就像您有物質的不同相，例如冰、水和水蒸氣一樣，空間的原子也可以在不同的相中重新配置自己，”印度大學天文與天體物理學中心的塔努·帕德馬納班說。在這種觀點中，黑洞可能是空間融化的地方。已知的理論崩潰了，但更一般的理論將描述新階段發生的事情。即使空間到達盡頭，物理學也會繼續進行。
糾纏網路
近年來的重大認識——也是跨越舊學科界限的認識——是相關的關係涉及量子糾纏。糾纏是一種超強型別的關聯，是量子力學固有的，它似乎比空間更原始。例如，實驗人員可能會建立兩個向相反方向飛行的粒子。如果它們是糾纏的，那麼無論它們相距多遠，它們都保持協調。
傳統上，當人們談論“量子”引力時，他們指的是量子離散性、量子漲落以及書中幾乎所有其它量子效應——但從不包括量子糾纏。當黑洞迫使這個問題出現時，情況發生了變化。在黑洞的生命週期中，糾纏的粒子會落入其中，但在黑洞完全蒸發後，它們在外部的夥伴會與——虛無糾纏。“霍金應該稱之為糾纏問題，”俄亥俄州立大學的薩米爾·馬圖爾說。
即使在真空中，周圍沒有粒子，電磁場和其它場也是內部糾纏的。如果您在兩個不同的位置測量場，您的讀數將以隨機但協調的方式抖動。如果您將一個區域分成兩部分，則這兩部分將是相關的，相關程度取決於它們共有的唯一幾何量：它們的介面面積。1995年，雅各布森認為，糾纏提供了物質的存在與時空幾何之間的聯絡——也就是說，它可能解釋引力定律。“更多的糾纏意味著更弱的引力——也就是說，更剛硬的時空，”他說。
幾種量子引力方法——尤其是弦理論——現在將糾纏視為至關重要。弦理論不僅將全息原理應用於黑洞，而且還應用於整個宇宙，為如何創造空間——或至少是其中的一部分——提供了配方。例如，二維空間可以被場穿過，當場以正確的方式構建時，會生成額外的空間維度。原始的二維空間將充當更廣闊領域（稱為體空間）的邊界。而糾纏是將體空間編織成一個連續整體的東西。
2009年，不列顛哥倫比亞大學的馬克·範·拉姆斯多克為這個過程提出了一個優雅的論證。假設邊界處的場沒有糾纏——它們形成一對不相關的系統。它們對應於兩個獨立的宇宙，彼此之間沒有旅行的方式。當系統變得糾纏時，就好像在這些宇宙之間打開了一條隧道或蟲洞，宇宙飛船可以從一個宇宙飛到另一個宇宙。隨著糾纏程度的增加，蟲洞的長度會縮短，將宇宙拉近在一起，直到您甚至不再將它們稱為兩個宇宙。“大型時空的出現與這些場論自由度的糾纏直接相關，”範·拉姆斯多克說。當我們觀察到電磁場和其它場中的關聯時，它們是束縛空間的糾纏的殘留物。
除了它的連續性之外，空間的許多其它特徵也可能反映出糾纏。範·拉姆斯多克和現在在馬里蘭大學的布萊恩·斯溫格認為，糾纏的普遍性解釋了引力的普遍性——引力影響所有物體並且無法被遮蔽。至於黑洞，斯坦福大學的倫納德·薩斯金德和新澤西州普林斯頓高等研究院的胡安·馬爾達西那認為，黑洞與其發出的輻射之間的糾纏創造了一個蟲洞——通往黑洞的後門入口。這可能有助於保留資訊並確保黑洞物理學是可逆的。
雖然這些弦理論思想僅適用於特定的幾何形狀，並且僅重建了空間的單個維度，但一些研究人員試圖解釋整個空間如何從頭開始湧現。例如，馬里蘭大學的曹春軍和加州理工學院的斯派裡登·米哈拉基斯和肖恩·M·卡羅爾從系統的極簡量子描述開始，該描述的制定沒有直接參考時空甚至物質。如果它具有正確的關聯模式，則該系統可以分裂成可以識別為時空不同組成部分的部分。在這個模型中，糾纏程度定義了空間距離的概念。
在物理學中，更普遍地在自然科學中，空間和時間是所有理論的基礎。然而，我們從未直接看到時空。相反，我們從日常經驗中推斷出它的存在。我們假設我們看到的現象的最經濟的解釋是在時空內執行的某種機制。但量子引力的最終教訓是，並非所有現象都完全適合時空。物理學家將需要找到一些新的基礎結構，當他們這樣做時，他們將完成一個多世紀前由愛因斯坦開始的革命。
本文是特別報道“科學中最大的問題”的一部分，由卡夫利獎贊助。它由大眾科學和自然編輯獨立製作，他們對所有編輯內容負全部責任。