Natalie Paquette 花費時間思考如何擴充套件一個額外的維度。從小的圓圈開始，散佈在空間和時間的每個點上——一個捲曲的維度，自身環繞。然後縮小這些圓圈，越來越小，收緊環，直到發生一種奇特的轉變：這個維度不再顯得微小，反而變得巨大，就像你意識到看起來又小又近的東西實際上又大又遠一樣。“我們正在縮小一個空間方向，”Paquette 說。“但是當我們試圖將其縮小超過某個點時，一個新的、大的空間方向反而出現了。”
Paquette 是華盛頓大學的理論物理學家，她並非孤身一人思考這種奇異的維度嬗變。越來越多的物理學家，以不同的方法在不同的學科領域工作，正日益趨同於一個深刻的觀點：空間——甚至可能包括時間——並非是基本的。相反，空間和時間可能是湧現的：它們可能源於自然界更基本組成部分的結構和行為。在最深層次的現實中，諸如“在哪裡？”和“何時？”之類的問題可能根本沒有答案。“我們從物理學中得到了很多暗示，我們所理解的時空並非基本的東西，”Paquette 說。
這些激進的觀念來自於百年量子引力理論探索的最新進展。物理學家關於引力的最佳理論是廣義相對論，阿爾伯特·愛因斯坦關於物質如何扭曲空間和時間的著名構想。他們關於其他一切的最佳理論是量子物理學，它在物質、能量和亞原子粒子的性質方面非常準確。這兩個理論都輕鬆通過了物理學家在過去一個世紀中能夠設計的所有測試。有人可能會認為，將它們結合起來，你就應該得到一個“萬物理論”。
但這兩個理論相處得並不融洽。向廣義相對論詢問量子物理學背景下會發生什麼，你會得到矛盾的答案，無法控制的無窮大在你的計算中爆發。自然界知道如何在量子背景下應用引力——這發生在大爆炸的最初時刻，並且仍然發生在黑洞的中心——但我們人類仍在努力理解其中的奧秘。部分問題在於這兩個理論處理空間和時間的方式。量子物理學將空間和時間視為不可變的，而廣義相對論則將它們扭曲為早餐。
某種程度上，量子引力理論需要調和這些關於空間和時間的觀點。一種方法是從源頭上消除問題，即時空本身，讓空間和時間從更基本的事物中湧現出來。近年來，幾個不同的研究方向都表明，在最深層次的現實中，空間和時間的存在方式與我們在日常世界中體驗到的方式不同。在過去的十年中，這些想法徹底改變了物理學家對黑洞的看法。現在研究人員正在利用這些概念來闡明更奇異的事物的工作原理：蟲洞——時空中遙遠點之間假設的隧道狀連線。這些成功使人們對更深層次的突破保持希望。如果時空是湧現的，那麼弄清楚它來自哪裡——以及它如何從其他事物中產生——可能正是最終開啟通往萬物理論之門的缺失之鑰。
絃樂二重奏中的世界
今天，在物理學家中最流行的量子引力候選理論是弦理論。根據這個想法，同名的弦是物質和能量的基本組成部分，產生了在世界各地粒子加速器中看到的無數基本亞原子粒子。它們甚至負責引力——一種傳遞引力的假設粒子，“引力子”，是該理論的必然結果。
但是弦理論很難理解——它存在於數學領域，物理學家和數學家花費了數十年才探索出來。該理論的大部分結構仍然是未知的，遠征仍在計劃中，地圖仍有待繪製。在這個新領域，導航的主要技術是透過數學對偶性——一種系統和另一種系統之間的對應關係。
本文開頭提到的對偶性就是一個例子，即微小維度和巨大維度之間的對偶性。弦理論認為，如果你試圖將一個維度塞進一個小空間，你最終會得到一個數學上與該維度反而巨大的世界相同的世界。根據弦理論，這兩種情況是相同的——你可以在它們之間自由來回切換，並使用一種情況下的技術來理解另一種情況是如何運作的。“如果你仔細跟蹤理論的基本組成部分，”Paquette 說，“你有時會自然而然地發現你可能會擴展出一個新的空間維度。”
埃琳娜·哈特利
一個類似的對偶性向許多弦理論家暗示，空間本身是湧現的。這個想法始於 1997 年，當時普林斯頓高等研究院的物理學家胡安·馬爾達西那發現了一種對偶性，即一種被稱為共形場論 (CFT) 的、被充分理解的量子理論，與廣義相對論中一種特殊的時空，即反德西特空間 (AdS) 之間的對偶性。這兩個理論似乎截然不同——CFT 中沒有任何引力，而 AdS 空間則包含了愛因斯坦的所有引力理論。然而，相同的數學可以描述這兩個世界。當它被發現時，AdS/CFT 對偶性提供了一個量子理論和一個包含引力的完整宇宙之間的有形數學聯絡。
奇怪的是，AdS/CFT 對偶性中的 AdS 空間比量子 CFT 多了一個維度。但物理學家們喜歡這種不匹配，因為這是一個完全解決的例子，它來自於幾年前荷蘭烏得勒支大學的物理學家傑拉德·特·胡夫特和斯坦福大學的倫納德·薩斯金德提出的另一種對應關係，稱為全息原理。基於黑洞的一些特殊特徵，特·胡夫特和薩斯金德懷疑空間區域的性質可能完全由其邊界“編碼”。換句話說，黑洞的二維表面將包含揭示其三維內部所需的所有資訊——就像全息圖一樣。“我認為很多人認為我們瘋了，”薩斯金德說。“兩位優秀的物理學家變壞了。”
同樣，在 AdS/CFT 對偶性中，四維 CFT 編碼了與其相關的五維 AdS 空間的一切資訊。在這個系統中，整個時空區域是由 CFT 中量子系統元件之間的相互作用構建而成的。馬爾達西那將這個過程比作閱讀小說。“如果你在一本書中講述一個故事，書中的人物正在做某事，”他說。“但所有的東西都只是一行文字，對吧？人物在做什麼是從這行文字中推斷出來的。書中的人物就像體積[AdS]理論。而那行文字就是[CFT]。”
但是 AdS 空間中的空間從何而來？如果這個空間是湧現的，那麼它又是從什麼湧現出來的呢？答案是 CFT 中一種特殊且奇怪的量子相互作用：糾纏，物體之間的長距離連線，以統計上不可能的方式瞬間關聯它們的行為。糾纏著名地困擾著愛因斯坦，他稱之為“鬼魅般的超距作用”。
然而，儘管具有鬼魅性，糾纏卻是量子物理學的核心特徵。當任何兩個物體在量子力學中相互作用時，它們通常會變得糾纏，並且只要它們與世界其他地方保持隔離，就會保持糾纏——無論它們可能相距多遠。在實驗中，物理學家已經保持了粒子之間超過 1000 公里的糾纏，甚至包括地面上的粒子和傳送到軌道衛星上的粒子之間的糾纏。原則上，兩個糾纏的粒子可以在星系或宇宙的另一側保持它們的連線。距離似乎根本不影響糾纏，這是一個困擾許多物理學家數十年的難題。
但是，如果空間是湧現的，那麼糾纏在長距離上持續存在的能力可能並不那麼神秘——畢竟，距離是一種構建。根據普林斯頓大學的物理學家 Shinsei Ryu 和京都大學的 Tadashi Takayanagi 對 AdS/CFT 對偶性的研究，糾纏首先產生了 AdS 空間中的距離。AdS 側對偶性上的任何兩個相鄰空間區域都對應於 CFT 的兩個高度糾纏的量子元件。它們糾纏得越多，空間區域就越靠近。
我們是否會知道空間和時間的真實本質？
近年來，物理學家們開始懷疑這種關係可能也適用於我們的宇宙。“是什麼將空間結合在一起並防止它分裂成獨立的子區域？答案是空間兩部分之間的糾纏，”薩斯金德說。“空間的連續性和連通性要歸功於量子力學糾纏。”因此，糾纏可能支撐著空間的結構本身，形成產生世界幾何形狀的經緯線。“如果你能以某種方式破壞空間兩部分之間的糾纏，空間就會分裂，”薩斯金德說。“它會做與湧現相反的事情。它會反湧現。”
如果空間是由糾纏構成的，那麼量子引力之謎似乎更容易解決：與其試圖以量子方式解釋空間的扭曲，不如說空間本身是從根本的量子現象中湧現出來的。薩斯金德懷疑這就是量子引力理論一直難以找到的首要原因。“我認為它一直不太奏效的原因是因為它從兩種不同事物的圖景開始，[廣義相對論]和量子力學，並將它們放在一起，”他說。“我認為關鍵是它們實際上聯絡太緊密了，無法分開然後再放回一起。沒有脫離量子力學的引力這種東西。”
然而，解釋湧現空間只是工作的一半。由於空間和時間在相對論中如此緊密地聯絡在一起，因此任何關於空間如何湧現的解釋也必須解釋時間。“時間也必須以某種方式湧現，”不列顛哥倫比亞大學的物理學家、糾纏和時空之間聯絡的先驅馬克·範·拉姆斯唐克說。“但這還沒有被很好地理解，並且是一個活躍的研究領域。”
他說，另一個活躍的領域是使用湧現時空模型來理解蟲洞。以前，許多物理學家認為，即使在理論上，也不可能將物體透過蟲洞傳送出去。但在過去的幾年中，研究 AdS/CFT 對偶性和類似模型的物理學家找到了構建蟲洞的新方法。“我們不知道我們是否能在我們的宇宙中做到這一點，”範·拉姆斯唐克說。“但我們現在知道的是，某些型別的可穿越蟲洞在理論上是可能的。”2016 年和 2018 年的兩篇論文引發了該領域正在進行的一系列研究。但即使可以建造可穿越的蟲洞，它們對於太空旅行也沒有多大用處。正如薩斯金德指出的，“你不可能比[光]繞遠路所需的時間更快地穿過那個蟲洞。”
斯蒂芬妮婭·因凡特
思考空間
如果弦理論家是正確的，那麼空間是由量子糾纏構建的，時間也可能是這樣。但這真的意味著什麼呢？除非這些物體本身在某個地方，否則空間怎麼可能“由”物體之間的糾纏“構成”呢？除非這些物體體驗時間和變化，否則它們怎麼可能變得糾纏呢？如果沒有居住在真實的空間和時間中，事物會以何種方式存在？
這些問題正逼近哲學——事實上，物理哲學家正在認真對待它們。“時空怎麼可能是可以湧現的那種東西？”倫敦國王學院的物理哲學家埃莉諾·諾克斯問道。她說，直覺上，這似乎是不可能的。但諾克斯不認為這是一個問題。“我們的直覺有時很糟糕，”她說。它們的“進化發生在非洲稀樹草原上，與宏觀物體、宏觀流體和生物動物互動”，並且往往不會轉移到量子力學的世界。當涉及到量子引力時，“‘東西在哪裡？’和‘它住在哪裡？’不是應該問的正確問題，”諾克斯總結道。
在日常生活中，物體確實生活在某個地方。但正如諾克斯和許多其他人指出的那樣，這並不意味著空間和時間必須是基本的——只是它們必須可靠地從任何基本事物中湧現出來。日內瓦大學的物理哲學家克里斯蒂安·伍思裡希說，以液體為例。“最終，它是基本粒子，如電子和質子和中子，或者更基本的，夸克和輕子。夸克和輕子有液體的性質嗎？這根本沒有意義，對吧？然而，當這些基本粒子足夠多地聚集在一起並表現出某種共同行為時，那麼它們的行為方式將像液體一樣。”
伍思裡希說，空間和時間在弦理論和其他量子引力理論中可能以相同的方式工作。具體而言，時空可能從我們通常認為生活在宇宙中的物質中湧現出來——物質和能量本身。“不是我們首先有空間和時間，然後我們新增一些物質，”伍思裡希說。“相反，物質性的東西可能是空間和時間存在的必要條件。這仍然是一個非常緊密的聯絡，但這與你最初可能想到的方向相反。”
但還有其他方法可以解釋最新的發現。AdS/CFT 對偶性通常被視為時空如何可能從量子系統中湧現出來的一個例子，但根據加州大學戴維斯分校的物理哲學家艾麗莎·內伊的說法，這可能實際上並非它所展示的。“AdS/CFT 為你提供了在關於時空的事實和量子理論的事實之間提供翻譯手冊的能力，”內伊說。“這與時空是湧現的，而某些量子理論是基本的說法相容。”但她說，反過來也是如此。這種對應關係可能意味著量子理論是湧現的，而時空是基本的——或者兩者都不是基本的，並且存在一些更深層次的基本理論。內伊說，湧現是一個強有力的說法，她對它可能是真實的持開放態度。“但至少僅僅看 AdS/CFT，我仍然沒有看到湧現的明確論據。”
對湧現時空弦理論圖景的一個可以說更大的挑戰隱藏在顯眼的地方，就在 AdS/CFT 對偶性本身的名稱中。“我們不生活在反德西特空間中，”薩斯金德說。“我們生活在更接近德西特空間的東西中。”德西特空間描述了一個加速膨脹的宇宙，很像我們自己的宇宙。“我們對[全息術]如何應用於那裡一無所知，”薩斯金德總結道。弄清楚如何為更接近真實宇宙的空間建立這種對應關係是弦理論家最緊迫的問題之一。“我認為我們將能夠更好地理解如何進入這種理論的宇宙學版本，”範·拉姆斯唐克說。
最後，還有來自最新粒子加速器的訊息——或者說缺乏訊息——它們沒有發現超對稱性預測的額外粒子的任何證據，超對稱性是弦理論所依賴的一個想法。超對稱性規定，所有已知的粒子都將擁有自己的“超夥伴”，使基本粒子的數量增加一倍。但日內瓦附近歐洲核子研究中心的強子對撞機，部分是為了尋找超夥伴而設計的，但沒有看到任何跡象。“我們擁有的所有非常精確的[湧現時空]版本都在超對稱理論中，”薩斯金德說。“一旦你沒有超對稱性，數學上跟蹤方程的能力就會從你手中消失。”
時空原子
弦理論並不是唯一暗示時空是湧現的想法。賓夕法尼亞州立大學的物理學家阿拜·阿什特卡爾說，弦理論“未能兌現[其]作為統一引力和量子力學的一種方式的承諾”。“弦理論現在的力量在於提供了一套極其豐富的工具，這些工具已廣泛應用於整個物理學領域。”阿什特卡爾是最流行的弦理論替代方案的最初先驅之一，即圈量子引力。在圈量子引力中，空間和時間不像廣義相對論中那樣平滑和連續。相反，它們是由離散的元件構成的——阿什特卡爾稱之為“時空塊或原子”。
這些時空原子連線在一個網路中，一維和二維表面將它們連線在一起，形成圈量子引力的實踐者所稱的自旋泡沫。儘管該泡沫僅限於二維，但它產生了我們的四維世界，具有三個空間維度和一個時間維度。阿什特卡爾將其比作一件衣服。“如果你看你的襯衫，它看起來像一個二維表面，”他說。“如果你只用放大鏡觀察，你就會立即看到它完全是一維的線。只是這些線非常密集地排列在一起，以至於在所有實際用途中，你可以認為襯衫是一個二維表面。因此，類似地，我們周圍的空間看起來像一個三維連續體。但實際上是這些[時空原子]的縱橫交錯。”
儘管弦理論和圈量子引力都暗示時空是湧現的，但兩種理論中的湧現型別不同。弦理論暗示時空（或至少是空間）是從看似無關的系統的行為中湧現出來的，以糾纏的形式。想想交通擁堵是如何從個體司機的集體決策中湧現出來的。汽車不是由交通製成的——汽車製造了交通。相比之下，在圈量子引力中，時空的湧現更像是傾斜的沙丘從風中沙粒的集體運動中湧現出來。平滑、熟悉的時空來自微小時空“顆粒”的集體行為；就像沙丘一樣，顆粒仍然是沙子，即使塊狀、晶狀的顆粒看起來或行為都不像起伏的沙丘。
儘管存在這些差異，但圈量子引力和絃理論都表明，時空是從某種潛在的現實中湧現出來的。它們並非唯一指向這個方向的量子引力理論。因果集理論是另一種量子引力理論的競爭者，它也認為空間和時間是由更基本的元件構成的。“真正引人注目的是，對於我們擁有的大多數合理的量子引力理論，在某種意義上，它們的資訊是，是的，廣義相對論時空不在基本層面，”諾克斯說。“當不同的量子引力理論至少在某些方面達成一致時，人們會非常興奮。”
時間邊緣的空間
現代物理學是其自身成功的受害者。由於量子物理學和廣義相對論都非常準確，因此量子引力僅在描述極端情況時才需要，即當巨大的質量被塞進難以想象的微小空間時。這些條件僅存在於自然界中的少數幾個地方，例如黑洞的中心——值得注意的是，不在物理實驗室中，即使是最大和最強大的實驗室也不例外。需要一個星系大小的粒子加速器才能直接測試自然界在量子引力統治條件下的行為。缺乏直接實驗資料是科學家尋找量子引力理論持續如此之久的很大一部分原因。
面對證據的缺乏，大多數物理學家將希望寄託在天空上。在大爆炸的最初時刻，整個宇宙都非常小而稠密——這種情況的描述需要量子引力。而那個時代的餘波可能仍然留在今天的空中。“我認為我們[測試量子引力]的最佳選擇是透過宇宙學，”馬爾達西那說。“也許宇宙學中我們現在認為無法預測的東西，一旦我們理解了完整的理論，或者一些我們甚至沒有想到的新事物，也許就可以預測了。”
然而，實驗室實驗可能有助於間接測試弦理論。科學家們希望透過構建高度糾纏的原子系統，並在其行為中觀察是否出現時空和引力的類似物，來研究 AdS/CFT 對偶性，而不是探測時空。馬爾達西那說，這樣的實驗可能“具有引力的某些特徵，儘管可能不是所有特徵”。“這也取決於你到底稱什麼為引力。”
我們是否會知道空間和時間的真實本質？來自天空的觀測資料可能不會很快到來。實驗室實驗可能會失敗。正如哲學家們所知，關於空間和時間真實本質的問題確實非常古老。哲學家巴門尼德在 2500 年前說過：“存在之物現在都是結合在一起的，一，連續的。”“一切都充滿了存在之物。”巴門尼德堅稱時間和變化是幻覺，任何地方的一切都是一回事。他的學生芝諾創造了著名的悖論來證明他老師的觀點，聲稱要證明在任何距離上的運動都是不可能的。他們的工作提出了時間和空間是否在某種程度上是虛幻的問題，這種令人不安的前景困擾了西方哲學超過兩千年。
“古代希臘人問過諸如‘什麼是空間？’‘什麼是時間？’‘什麼是變化？’之類的問題，而我們今天仍然在問這些問題的各種版本，這意味著他們問的是正確的問題，”伍思裡希說。“正是透過思考這些問題，我們才對物理學有了很多瞭解。”