繪圖：Harriet Lee-Merrion

從分子到原子，再到更為基礎(chǔ)的粒子……物理學(xué)家一路向著更微觀的世界摸索。一個(gè)隨之而來(lái)的問(wèn)題是，這個(gè)宇宙最基本的成分究竟是什么？是量子糾纏，還是糾纏態(tài)之下更為基礎(chǔ)的信息？現(xiàn)在，我們距離答案又近了一步……

當(dāng)你展開(kāi)雙手時(shí)，你好奇過(guò)它們是由什么組成的嗎？顯而易見(jiàn)，皮膚覆蓋著肉體、血液和骨骼。這些身體組織由分子組成，分子由原子組成，原子又由電子、質(zhì)子和中子構(gòu)成。而當(dāng)我們追溯到基本粒子和能量的層面時(shí)，才上升到問(wèn)題的本質(zhì)。

然而，我們真的已經(jīng)深入本質(zhì)了嗎？縱觀物理學(xué)史，在過(guò)去的三百多年中，我們一直在探索現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)——物質(zhì)到底是由什么構(gòu)成的。一次又一次，我們發(fā)現(xiàn)比已知更深入的層次。而每突破到一個(gè)新的層次，我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解就會(huì)被刷新。

量子理論、廣義相對(duì)論是當(dāng)今解釋現(xiàn)實(shí)最為成功的理論，但卻互不兼容。隨著這兩個(gè)理論之間的矛盾不斷被調(diào)和，如今我們也許就處在下一個(gè)突破的邊緣。粒子、能量、空間、時(shí)間，或者任何我們可能認(rèn)為是最基本物質(zhì)的東西都不是現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)。而關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的真正答案，我們才剛剛開(kāi)始窺探到。

現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的探索歷程

對(duì)于構(gòu)成現(xiàn)實(shí)的基本元素，在每個(gè)時(shí)代都有不同的版本。哲學(xué)家德謨克利特（原子論的創(chuàng)始人之一）認(rèn)為，所有物質(zhì)都是由原子組成的。而亞里士多德認(rèn)為現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)是土、空氣、水和火。在十九世紀(jì)末期，人們的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了以太上，即所謂光的傳播媒介。

然而，在過(guò)去的三個(gè)世紀(jì)中，牛頓重塑了我們對(duì)物質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)。他認(rèn)為現(xiàn)實(shí)由三個(gè)基本部分構(gòu)成：時(shí)間，有質(zhì)量的粒子，和一個(gè)允許粒子在其中運(yùn)動(dòng)的空間。基于這三個(gè)基本組成部分，牛頓建立了一套理解宇宙運(yùn)行原理的體系，并成功地解釋了大多數(shù)現(xiàn)象。然而，當(dāng)粒子的運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，牛頓的理論就捉襟見(jiàn)肘了。

但即使沒(méi)有這個(gè)限制，牛頓的體系也不能解釋一切。盡管它描述了萬(wàn)有引力（使得有質(zhì)量物體在宇宙中運(yùn)動(dòng)的吸引力），但卻不能解釋這種力的本質(zhì)。除此之外，宇宙之中的其他力也同樣神秘，例如電磁力。一直以來(lái)，我們對(duì)現(xiàn)實(shí)本質(zhì)成分的討論從未停止（見(jiàn)下圖）。

現(xiàn)今，我們迫切地需要將量子理論和廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)。前者是我們對(duì)微觀世界的最佳描述，而后者是愛(ài)因斯坦關(guān)于萬(wàn)有引力的天才理論。當(dāng)我們?cè)噲D描述黑洞或者大爆炸時(shí)，我們需要結(jié)合二者，但這看起來(lái)卻是不可理喻的。

不合理之處在于，量子理論認(rèn)為力是由離散的量子組成的，但是廣義相對(duì)論認(rèn)為萬(wàn)有引力是連續(xù)的。目前，所有試圖量化萬(wàn)有引力的努力都失敗了——但是這些嘗試為我們探索兩種理論的共同點(diǎn)提供了線索。

上世紀(jì)九十年代末，一項(xiàng)革命性的研究改變了我們對(duì)于這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。當(dāng)時(shí)，胡安·馬爾達(dá)西納（Juan Maldacena）在普林斯頓高等研究院研究弦理論。弦理論企圖解決上述兩種理論的糾紛：弦理論認(rèn)為，基本粒子由一維“弦”的振動(dòng)產(chǎn)生。馬爾達(dá)西納通過(guò)研究證明：對(duì)于一個(gè)時(shí)空區(qū)域，使用弦理論描述其內(nèi)部的萬(wàn)有引力在數(shù)學(xué)層面上與一組量子方程等價(jià)。這組量子方程描述了該時(shí)空區(qū)域的邊界，但不包括萬(wàn)有引力。我們將他的發(fā)現(xiàn)稱(chēng)為“馬爾達(dá)西納對(duì)偶”。盡管術(shù)語(yǔ)聽(tīng)起來(lái)非常高深，但這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈暗示了廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間的聯(lián)系。

量子糾纏創(chuàng)造時(shí)空？

這種對(duì)偶和另一個(gè)物理概念也存在有趣的關(guān)聯(lián)。1935年，愛(ài)因斯坦和他的同事納森·羅森（Nathan Rosen）證明了兩個(gè)黑洞可以被一段扭曲的時(shí)空（“愛(ài)因斯坦-羅森橋”，俗稱(chēng)蟲(chóng)洞）連接。2001年，馬爾達(dá)西納用他的對(duì)偶證明了蟲(chóng)洞產(chǎn)生于兩個(gè)黑洞量子態(tài)的糾纏，即兩個(gè)黑洞如同幽靈，可以在一定距離外相互影響對(duì)方。

2009年，馬克·范拉姆斯多克（Mark Van Raamsdonk）在加拿大的不列顛哥倫比亞大學(xué)針對(duì)這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)進(jìn)一步研究：改變兩個(gè)黑洞之間的糾纏度會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)，這種改變能夠控制蟲(chóng)洞的寬度：當(dāng)黑洞之間的糾纏度提高，蟲(chóng)洞會(huì)變大；當(dāng)糾纏度降低到一定程度時(shí)，兩個(gè)黑洞之間的關(guān)聯(lián)就會(huì)被掐斷（如下圖）。看來(lái)如廣義相對(duì)論所描述，量子糾纏可以創(chuàng)造時(shí)空。

范拉姆斯多克的研究成果使馬爾達(dá)西納和他的同事——斯坦福大學(xué)的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）提出了一個(gè)大膽的假說(shuō)：時(shí)空總體上是由糾纏現(xiàn)象產(chǎn)生的。這個(gè)假說(shuō)窺探到了更深層的現(xiàn)實(shí)本質(zhì)。

但這也只是管中窺豹，還沒(méi)有形成完整的理論。薩斯坎德開(kāi)始在細(xì)節(jié)層面進(jìn)行更多的思考，例如在一個(gè)獨(dú)特的背景——單黑洞體系內(nèi)，他們的假說(shuō)如何立足。這些宇宙怪物（黑洞）吞噬物質(zhì)，并在其體內(nèi)創(chuàng)造長(zhǎng)條形的時(shí)空?！傲孔蛹m纏值還沒(méi)有大到能夠解釋黑洞中發(fā)生了什么?！?薩斯坎德表示。

但我們還沒(méi)有走進(jìn)死胡同。薩斯坎德表示：“還有另一個(gè)超出糾纏限度的因素，即復(fù)雜性限度?！?量子系統(tǒng)可以存在于多個(gè)不同量子態(tài)的疊加中，復(fù)雜度隨著量子態(tài)數(shù)量的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。薩斯坎德認(rèn)為，黑洞量子復(fù)雜度的增加可能與黑洞內(nèi)部時(shí)空的形成有關(guān)，盡管他還不知道其背后的原理。

然而，上述理論還有一個(gè)根本問(wèn)題。雖然該理論是由馬爾達(dá)西納對(duì)偶衍生而來(lái)的，但是其數(shù)學(xué)原理表明，已存在的時(shí)空是產(chǎn)生新時(shí)空的必要條件。加州理工學(xué)院的肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）認(rèn)為，如果時(shí)空的產(chǎn)生不是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，我們就不能說(shuō)其形成與量子現(xiàn)象有關(guān)，即使他認(rèn)為二者存在一些本質(zhì)上的關(guān)聯(lián)?？_爾正試圖理解這種關(guān)聯(lián)，但卻并沒(méi)有從馬爾達(dá)西納對(duì)偶出發(fā)?！安蝗徊痪褪亲鞅琢藛?。”他說(shuō)。

卡羅爾和他的同事采取了另一種方法。他們暫時(shí)先不考慮令人迷惑的時(shí)間，轉(zhuǎn)而著手研究一種叫做“希爾伯特空間”的抽象數(shù)學(xué)對(duì)象。希爾伯特空間的元素代表了一個(gè)量子系統(tǒng)所有可能的量子態(tài)。任何一個(gè)希爾伯特空間都可以被認(rèn)為是由更小的希爾伯特空間堆積而成的。卡羅爾的團(tuán)隊(duì)研究了各種希爾伯特空間，找到了組成這些空間的更小的空間，并且得到了它們之間的量子糾纏值。隨后，他們嘗試?yán)L制出這樣的一個(gè)圖像，其中組成希爾伯特空間的小空間之間量子糾纏值越大，它們?cè)趫D上就離得越近。他們的問(wèn)題是：這種圖像可以再現(xiàn)空間平滑的幾何特征嗎？

對(duì)于任何以往獲得的圖像，答案是否定的。“它們簡(jiǎn)直是一團(tuán)亂麻?！笨_爾說(shuō)。但是他的團(tuán)隊(duì)找到了一些可能派上用場(chǎng)的圖像?！扒『糜袔讉€(gè)特定的量子態(tài)看起來(lái)非常幾何化，這些正是我們要找的?！笨_爾對(duì)這些圖像來(lái)說(shuō)，在圖中從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)的路徑相對(duì)比較平滑，所以我們所觀察到的空間平滑的幾何特征可能是由一個(gè)純量子系統(tǒng)產(chǎn)生的。

信息構(gòu)成的時(shí)空

無(wú)論是卡羅爾還是馬爾達(dá)西納的思路都只能幫我們到這里了?？臻g和時(shí)間由量子糾纏或者量子復(fù)雜性組成是很好的想法，但是量子糾纏和量子復(fù)雜性是由什么組成的呢？這正是我們接近現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的地方，因?yàn)榭_爾和馬爾達(dá)西納的思路都指向了同一個(gè)引人入勝的答案：信息。

1948年，數(shù)學(xué)家及工程師克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）給了“信息”一個(gè)簡(jiǎn)潔的定義。他提出，比特流或者字符串中的信息量與信息的熵有關(guān)。熵越大，信息就越多。比如，一串僅由000這個(gè)3比特長(zhǎng)的數(shù)字組成的流所含的信息量，就低于一串由001，101或者111組成的流所蘊(yùn)含的信息量。

那么信息如何成為萬(wàn)物的本質(zhì)呢？糾纏即是信息：兩個(gè)系統(tǒng)間的糾纏度越高，它們共享的信息就越多。但值得警惕的是，香農(nóng)定義的信息必須切實(shí)存在并具有實(shí)際作用。在去年的實(shí)驗(yàn)中，一臺(tái)納米機(jī)器能使用信息來(lái)冷卻金屬，然而時(shí)空背后的量子信息肯定與此有所區(qū)別。一個(gè)字符串中的信息是有意義的，但不同的是，在卡羅爾的研究中，導(dǎo)致空間產(chǎn)生的量子信息只是存在而已?！傲孔討B(tài)是沒(méi)有實(shí)際意義的，” 卡羅爾說(shuō)，“它只是我們對(duì)宇宙最好的數(shù)學(xué)描述?！?/span>

卡羅爾說(shuō)，量子信息是一切物質(zhì)的本質(zhì)，這一說(shuō)法其實(shí)很有道理卡羅爾。如果你從量子力學(xué)著手，而且不假設(shè)任何事物的存在，那么“你需要考慮的就只有量子信息”。這就使得信息成為了宇宙的基本成分。“有的人甚至覺(jué)得信息是宇宙中唯一的存在?！笨_爾說(shuō)。

繪圖：Harriet Lee-Merrion

德國(guó)法蘭克福高等研究院的扎比內(nèi)·霍森費(fèi)爾德（Sabine Hossenfelder）認(rèn)為，我們也許能夠檢驗(yàn)上述想法?！巴昝朗挛锏拇嬖谠絹?lái)越不可能了?！彼f(shuō)?？纯次覀円阎钔昝赖慕Y(jié)構(gòu)之一：晶體，由精確重復(fù)的分子單元組成。在現(xiàn)實(shí)中，就算最純的晶體也有瑕疵。如果時(shí)空由更基礎(chǔ)的組成單元，類(lèi)似的事情就可能會(huì)發(fā)生。“如果時(shí)空不是最基礎(chǔ)的物質(zhì)，其中就應(yīng)該有瑕疵?！?霍森費(fèi)爾德說(shuō)。這些瑕疵會(huì)導(dǎo)致一些違背廣義相對(duì)論的瞬間，而我們可能通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)十億光年外的光探測(cè)到它們。

要完成這樣的測(cè)試，我們還有很長(zhǎng)的路要走。而且，不論如何，我們還是要對(duì)這一切研究的起點(diǎn)——馬爾達(dá)西納對(duì)偶保持懷疑。

馬爾達(dá)西納考慮的空間和真實(shí)的空間不盡相同。他所研究的AdS空間（anti-de Sitter space）在數(shù)學(xué)上更簡(jiǎn)單，并且有明確定義的邊界和內(nèi)部空間，馬爾達(dá)西納才得以將二者聯(lián)系起來(lái)。

馬爾達(dá)西納的理論看起來(lái)爭(zhēng)議不大，但我們所觀察到的宇宙中的空間與他所研究的很不同。重點(diǎn)在于，真實(shí)的空間在不斷加速膨脹。這說(shuō)明我們的宇宙沒(méi)有明確的邊界，所以我們還不清楚馬爾達(dá)西納對(duì)偶是否適用于真實(shí)的空間。如果答案是否定的，所有根據(jù)馬爾達(dá)西納對(duì)偶得出的結(jié)論就都有問(wèn)題了。

但就算我們的宇宙沒(méi)有邊界，它確實(shí)也有個(gè)范圍。在這個(gè)范圍之外，沒(méi)有任何事物可以進(jìn)入這個(gè)宇宙，即使是光也不可以。這也許能夠給我們指出前進(jìn)的方向。去年11月，阿姆斯特丹大學(xué)的埃里克·韋爾蘭德（Erik Verlinde）根據(jù)這個(gè)范圍和一系列假設(shè)提出，量子糾纏其實(shí)和我們宇宙的時(shí)空有關(guān)。“我的理論受到了薩斯坎德和馬爾達(dá)西納的啟發(fā)?！表f爾蘭德說(shuō)?；谶@個(gè)飛躍，他導(dǎo)出了一種愛(ài)因斯坦方程的變體，并證明了時(shí)空和萬(wàn)有引力如何產(chǎn)生于量子糾纏。這一結(jié)果在普通的空間中也適用。

雖然韋爾蘭德的假設(shè)存在大量爭(zhēng)論，但是他的成果也很振奮人心。他的研究為物理學(xué)中最大的謎題之一——暗能量提供了一種解釋。暗能量被認(rèn)為導(dǎo)致了空間的擴(kuò)張，但是在Verlinde的框架中，這種效果是自然產(chǎn)生的，并沒(méi)有暗能量的參與。

如果韋爾蘭德是對(duì)的，那么在真實(shí)世界中，空間和時(shí)間或許的確是由信息構(gòu)成的。如此一來(lái)，這個(gè)世界中表面上的現(xiàn)實(shí)都是幻覺(jué)，在它的背后是轉(zhuǎn)瞬即逝的信息。

但是對(duì)于薩斯坎德來(lái)說(shuō)，由0和1組成的現(xiàn)實(shí)至少有種詩(shī)意的美好。他說(shuō)，我們某一天也許能夠?qū)⒄麄€(gè)宇宙編成一首詩(shī)：“啊，一切都是信息”。

撰文：Anil Ananthaswamy

翻譯：李晶晶

審校：吳非 韓晶晶

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