空间是像素化的？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Clavin，设计&排版：雯雯，编译：小雨，头图来自：unsplash

一、空间像素  

沙丘，是我们最熟悉的自然风景之一。从远处看，沙丘显得光滑无褶；但当你接近沙丘并触摸它时，就会感受到一粒粒的砂石颗粒。数码图像也是如此：当你将图像放到足够大，就会看见那些构成了图像的独特像素。

一些物理学家认为，我们生活的空间也可能不是完全平滑的，而是由非常小的离散单元构成的。许多科学家都在寻找这种像素化，因为它是量子引力的预测。量子引力是一套包括弦理论在内的理论，它们试图统一广义相对论和量子理论。

爱因斯坦的广义相对论重塑了我们的宇宙观，它表明空间和时间可以被认为是一个连续的整体，即时空，随物质的变化而弯曲。根据广义相对论的定义，引力只不过是时空的曲率。

量子力学则描述了宇宙中除了引力之外的其他三种已知力：电磁力、弱力和强力。量子力学的一个特征是，这些力都可以被量子化为离散的包或粒子。例如，电磁力的量子化产生了一种被称为光子的粒子。在微观尺度，光子的幕后工作是传递电磁力。虽然在我们习惯的大尺度下，电磁场看上去是连续的，但当将它放大时，就会发现它变得“凹凸不平”。

四种基本力。| 图片来源：原理

那么，量子引力的核心问题就是：在最小的尺度，时空是否也是一个由粒子组成的“海洋”，还是说它像一汪不破裂的湖面一样平滑？科学家普遍认为，在最小的尺度上，引力应该是凹凸不平的，这些凸起是一种被称为引力子的假想粒子。但是当物理学家用数学工具来描述引力如何从非常微小的引力子中产生时，一切都不成立了。

二、宇宙的新蓝图  

弦理论让一切变得不同。弦理论描述了一个有着10个维度的宇宙，其中6个维度被隐藏起来了，余下的4个维度构成了空间和时间。正如它的名字那样，弦理论假设，在最基本的层面上，宇宙中所有的物质都是由微小的弦组成的。弦的不同振动方式对应着不同的基本粒子，比如电子、光子或引力子。

弦理论认为，所有的基本粒子都是由振动的弦组成的。| 图片来源：原理

许多科学家都认为弦理论是迄今为止最完整、最有可能的量子引力理论。然而，它所面临的最大的挑战之一是如何对它进行验证。这是因为若想要寻找量子引力的特征，实验就需要触及到所谓的普朗克长度（即10⁻³⁵米）。要探测如此极端的尺度，物理学家必须建造一个同样极端的探测器——一个太阳系大小的探测器。这不仅造价昂贵，且需要耗费数百年的时间。

三、验证量子引力的新思路  

为了改变这一现状，理论物理学教授Kathryn Zurek组建了一个名为量子引力及其观测特征（QuRIOS）的项目，将熟悉量子引力但缺乏实验设计实践的弦理论学家，与有实验经验但缺乏从事量子引力研究的粒子理论学家和模型建造者，联合起来。

作为项目的一部分，Zurek将与实验学家Rana Adhikari合作开发一个使用桌面仪器的新实验，被称为GQuEST。这个实验能够探测到的将不是时空像素本身，而是像素之间的联系，这些联系可以产生可观测的特征。

Zurek他们所专注于的量子引力效应，可以在10⁻¹⁸米这样一个更可控的尺度上观察到。虽然这个尺度仍然非常小，但在非常精确的实验室仪器的帮助下，这是有可能实现的。

这样的桌面实验将会像L型的LIGO，会在垂直方向上发射两束激光的干涉仪。激光被镜子反射后在原位会合。在LIGO的例子中，引力波拉伸和挤压空间，影响了激光相遇的时间；而量子引力实验将寻找一种不同的时空涨落，这种涨落由在所谓的量子泡沫（或时空泡沫）中突然出现或消失的引力子构成。（光子和其他量子粒子也会因为量子涨落而出现或消失。）届时，研究人员寻找的将不会是单个的引力子，而是存在于这些复杂假想粒子集合间的“长程相关性”，它们能产生可观测的特征。Zurek解释说，这些长程的相关性就像时空海洋中更大的涟漪，而不是单个粒子驻留的泡沫。

Zurek等人认为时空涨落可能会干扰光束。在他们设计的设备中，时空涨落能将一个光子踢出干涉仪的光束，接着他们就可以用单光子探测器来读出时空扰动。

一个L型的实验设备。| 图片素材参考来源：[1]

四、涌现的时空  

在弦理论中，有一个重要原则被称为全息原理，它意味着如引力等三维现象，可以从平坦的二维表面显现出来。全息原理意味着一个体积中的所有信息都可以被编码在一个表面上。

更具体地说，引力和时空可被认为是从发生在二维表面的粒子纠缠中产生的。当亚原子粒子跨越空间相互连接时，就会发生纠缠；这些粒子彼此之间没有直接接触，但却可以被视作为一个单独的整体。受到弦理论启发的关于量子引力的现代观点表明，时空和引力是由纠缠的网络实现的。在这种思维方式下，时空本身变成了由事物纠缠在一起的程度来定义。

在Zurek和Adhikari提出的实验中，他们的想法是对这个二维表面，或者被他们称为“量子视界”的引力子涨落，进行探测。他们解释说，引力和时空出现在量子视界之外。他们的实验将测量这个表面的模糊性。

这种模糊性代表了时空的像素化。如果实验成功，它将有助于从最基本、最深远的层面重新定义引力和空间的概念。

Adhikari说：“如果我松开咖啡杯它掉落到地上，我愿意认为这是因为引力。但是，就像温度也不是‘真实的’，而只是对一堆分子如何振动的描述一样，时空可能也不是真实存在的东西。我们看见过成群的鸟和成群的鱼进行连贯、一致的运动，但它们实际上是由一只只动物组成的。我们说群体行为是涌现性的。可能是因为我们还不知道时空的核心是什么，所以时空像素化中产生的某种东西才被称为引力。”

参考来源：

[1] http://www.kzurek.theory.caltech.edu

[2] https://magazine.caltech.edu/post/quantum-gravity

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