無趣的宇宙與復(fù)雜的時空

苗千

科學(xué)家們最新發(fā)現(xiàn)的宇宙或許會顯得有些無聊，也讓宇宙學(xué)家們松了一口氣——最新分析結(jié)果顯示，我們所生活的宇宙是一個沒有方向性的宇宙。

也就是說，這個宇宙具有“各向同性”，在大尺度上我們無法繪制一幅關(guān)于宇宙的地圖，它在各個方向上都相同。

最近，一組科學(xué)家通過分析歐洲航天局發(fā)射的普朗克衛(wèi)星在2009到2013年之間所收集的宇宙微波背景輻射信號，得出了對宇宙形態(tài)最精密全面的分析結(jié)果，宇宙只有1/121000的概率具有某種方向性。宇宙學(xué)家們當(dāng)然會歡迎這個結(jié)果，因為目前宇宙學(xué)中對于宇宙誕生和發(fā)展過程的描述都是基于宇宙具有各向同性這個重要假設(shè)。

從天圓地方的想象到地心說，再到日心說，人類一步步認(rèn)識到自己并不處于宇宙的中心，現(xiàn)在的結(jié)論證明，在極大尺度上各處相同的宇宙并沒有一個中心位置。通過愛因斯坦的廣義相對論，人們理解宇宙正處在膨脹的過程中，因此有很大的可能宇宙各處的性質(zhì)都相同。但在理論上，還有其他的可能性。

宇宙學(xué)理論描述，宇宙誕生于大爆炸產(chǎn)生出的一種均勻的亞原子“粒子湯”，但是隨后宇宙發(fā)生了“暴脹”，瞬間就把宇宙從微觀狀態(tài)拉伸到了宏觀狀態(tài)。在這種情況下，微觀狀態(tài)下的極小的不均勻都可能導(dǎo)致宏觀宇宙出現(xiàn)整體性的不均勻，從而具有方向性。宇宙有可能在某個方向上膨脹速度更快，在這種情況下，宇宙微波背景輻射的信號會在這個方向上被拉伸；宇宙也有可能沿著某一條軸旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)也會在宇宙微波背景輻射信號中留下某種印記。科學(xué)家們總共做出了宇宙具有方向性的五種假設(shè)，但是他們在利用超級計算機對普朗克衛(wèi)星收集到的信號進行分析之后，仍然只發(fā)現(xiàn)了隨機的噪音，這個結(jié)果也證明了2000年美國航空航天局發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）發(fā)現(xiàn)的宇宙有可能具有方向性的可能性只是統(tǒng)計上的誤差而已。宇宙中的粒子并不是均勻分布，而是聚集在一起組成了各種天體和星系，但是在大尺度上，各個方向上是均勻的。

各向同性的宇宙看起來或許有些無趣，但是時空絕非如此，物理學(xué)家們開始發(fā)現(xiàn)，空間可能有著更深刻的結(jié)構(gòu)，而時間與空間的聯(lián)系也可能與量子糾纏有關(guān)。時空是什么？這聽起來或許更像是一個哲學(xué)問題。人類的科學(xué)都是建立在時空背景之下，似乎沒有時空，科學(xué)也就失去了依托。但是，時空是否是最本質(zhì)的存在？時空的結(jié)構(gòu)是什么，又是什么把時間和空間連接在了一起？越來越多的理論學(xué)家們開始關(guān)注這個問題。

量子糾纏聽起來玄而又玄，但或許它才是宇宙最基本的現(xiàn)象。2004年諾貝爾物理學(xué)獎得主弗朗克·韋爾切克（Frank Wilczek）就認(rèn)為，糾纏現(xiàn)象是普遍存在的現(xiàn)象，并非僅限于量子領(lǐng)域，也并非真的難以理解。他舉例說明，假設(shè)存在一種規(guī)則：一個系統(tǒng)的兩個盒子中必須一個包含方形，一個包含圓形，那么在這個規(guī)則下，系統(tǒng)中的兩個盒子就已經(jīng)處于“糾纏”狀態(tài)。如果我們在一個盒子里發(fā)現(xiàn)方形，我們也就立刻知道另一個盒子中包含的是圓形，反之亦然。微觀世界的量子糾纏的實質(zhì)與之類似，只不過微觀世界受到不確定性原理的制約，人們無法通過測量來得到一個量子系統(tǒng)的全部信息。而量子糾纏現(xiàn)象的發(fā)生是因為我們無法獲得兩個量子系統(tǒng)的完備信息——因此，量子糾纏與例子中的宏觀系統(tǒng)的糾纏狀態(tài)的實質(zhì)都是缺乏獨立性。

實際上，量子糾纏在微觀世界中是非常普遍的現(xiàn)象，只有少數(shù)微觀粒子不處于糾纏態(tài)。粒子之間很容易通過相互作用形成糾纏態(tài)，粒子對撞，對于一個微觀系統(tǒng)進行測量，都會使粒子之間相互糾纏。加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的理論物理學(xué)家馬克·范·拉姆斯東克（Mark Van Raamsdonk）從2009年開始思考量子糾纏現(xiàn)象的本質(zhì)，他認(rèn)為，量子糾纏現(xiàn)象很有可能是宇宙中比時空更為本質(zhì)的現(xiàn)象。他結(jié)合了美國普林斯頓高等教育研究院的理論物理學(xué)家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）的理論成果，認(rèn)為量子糾纏可能恰恰是時間和空間結(jié)合的關(guān)鍵。

馬爾達西那在1997年研究了兩種理想化的宇宙模型，其中一種與真實宇宙相類似，具有三個維度，充滿了微觀粒子，并且遵守廣義相對論；另一種宇宙模型只有兩個維度，同樣充滿了微觀粒子，但在其中感受不到引力的作用。馬爾達西那通過數(shù)學(xué)手段證明，這兩種看上去區(qū)別巨大的宇宙模型在數(shù)學(xué)上完全等同。拉姆斯東克受到了啟發(fā)，他利用數(shù)學(xué)方法研究宇宙模型，逐漸減少宇宙模型中的量子糾纏。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量子糾纏現(xiàn)象被減少到零時，宇宙中的時間與空間將不再是一個整體。換句話說，理論上，量子糾纏有可能是將宇宙中的空間和時間結(jié)合在一起的關(guān)鍵因素。

盡管這種數(shù)學(xué)上的模擬和理論上的假設(shè)尚沒有任何真正的物理學(xué)實驗予以證明，但僅僅是提出這樣的構(gòu)想就已經(jīng)足以令人心馳。拉姆斯東克認(rèn)為自己領(lǐng)會到了時空更深刻的本質(zhì)，但是他還需要進一步的理論證明。美國斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家布萊恩·施溫格（Brian Swingle）在麻省理工學(xué)院研究凝聚態(tài)物理學(xué)時，使用一種稱為“張量網(wǎng)絡(luò)”（Tensor Network）的數(shù)學(xué)方法來預(yù)測材料的性能。他隨后發(fā)現(xiàn)，弦論學(xué)家們用來研究黑洞和量子引力的方法與自己的方法非常相似，他意識到其中可能有更為深刻的聯(lián)系。目前施溫格正與拉姆斯東克進行合作，試圖利用張量網(wǎng)絡(luò)手段進一步研究時空和量子糾纏現(xiàn)象的本質(zhì)。

理論物理學(xué)家的武器是數(shù)學(xué)。利用數(shù)學(xué)手段，建立各種數(shù)學(xué)模型，難免出現(xiàn)各種奇妙的預(yù)測和假說，其中的大多數(shù)自然都難以成立。無論理論物理學(xué)家們建立怎樣或復(fù)雜或完美的模型，最終都必須通過實驗的反復(fù)驗證，才能變?yōu)檎嬲奈锢韺W(xué)發(fā)現(xiàn)，最終成為物理學(xué)理論。但是我們也必須承認(rèn)，理論物理學(xué)家們暫時忽略現(xiàn)實意義以及實驗過程，提出的種種天馬行空般的假說，也能夠給人們帶來一種奇異的美感，也能大大拓寬我們對于自己所生活的宇宙，以及我們自身的想象。

（本文寫作參考了《自然》《科學(xué)》和《Quanta Magazine》等雜志的報道）