2019-09-24 由 趣味說 發表于科學

假設你想和朋友一起喝咖啡。你必須告訴他們你要去哪裡-你在太空中的位置-但你也需要讓他們知道什麼時候去。這兩個信息都是必要的，因為我們生活在一個四維連續體中：三維空間以及其中的一切，從熱氣騰騰的咖啡機到遙遠星系中爆炸的恆星，所有這些都發生在一維時間的不同時刻。

「時空」僅僅是我們和其他一切存在於其中的物理宇宙。然而，即使在其中生活了幾千年，我們仍然不知道時空到底是什麼。一個多世紀以來，物理學家一直在努力解決這個問題。最近幾年，很多科學家一直在試圖弄清楚什麼可能是編織現實結構的線索。我們有想法，每一種都有自己的優點和缺點。有種觀點認為，時空是從量子世界的一種奇怪的屬性中出現的，這意味著粒子和場，這些自然界的基本組成部分，即使它們在宇宙的兩端，也可以連接在一起。如果這是正確的，我們可能最終在兩個不可調和的物理學圖騰之間找到了一座橋樑，將我們置於量子引力理論的門檻上。我們還將得到迄今為止最令人震驚的證明：我們所看到的世界並不是真實的世界-正如阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）所說，總是有「深深隱藏的東西」，而理解現實的根本本質的唯一方法是正面面對量子力學。

時空是一個相對較新的概念。艾薩克·牛頓（Isaac Newton）不需要它。對他來說，空間和時間是各自真實的和絕對的。只有當愛因斯坦在1905年提出他的狹義相對論時，兩者才開始走到一起。他指出，不同的觀察者通常會以不同的、不相容的方式將時空劃分為「空間」和「時間」；什麼是「空間」和什麼是「時間」是相對於觀察者如何運動的。 此前，各種思想家都曾猜測，這兩者應該結合在一起。例如，在埃德加·愛倫·坡(Edgar Allan Poe)1848年的散文詩「尤里卡」(Eureka)中，他寫道：「空間和持續時間是一體的。」但直到1908年數學家赫爾曼·明科夫斯基（Hermann Minkowski）才以科學的方式將它們統一起來。他戲劇性地宣稱：「從今以後，空間本身和時間本身將完全化作影子，只有兩者的某種聯合才能保持獨立。」 「在這個世界上，時空怎麼可能存在於各種可能性的疊加中呢？」 愛因斯坦不為所動，抱怨這是「多餘的學問」。但他最終改變了主意，把時空幾何牢牢地放在他的廣義相對論的核心上。他說時空不僅僅是事物發生的靜態背景。它是一個動態實體，在質量和能量的影響下翹曲和拉伸。時空的曲率對我們來說表現為引力。 儘管如此，問經典物理學中的時空「由什麼組成」似乎很奇怪。

在廣義相對論中，時空隨著時間的推移而變化，以響應其他物質。但它仍然是一個背景，是大自然的基本組成部分。它不是由任何東西組成的。這種觀點的問題始於量子力學的發現，量子力學是控制亞原子粒子和場行為的規則。科學家們還沒有能夠構建一個量子力學的引力理論，就像他們對自然界的其他三種基本力量所做的那樣。這個問題的一部分是技術問題：當我們試圖使用標準技術將經典廣義相對論變成量子力學理論時，我們的方程爆炸了，我們得到了毫無意義的答案。但其中一部分是概念性的。 量子力學告訴我們，系統存在於不同可測量量(如位置和速度)的疊加中。沒有量子粒子的「位置」這樣的東西；有許多可能的位置，只有當我們觀察到它們時，它們才具有確定的值。在這個世界上，時空怎麼可能存在於不同可能性的疊加中？這樣就不可能肯定地說某個事件發生在空間和時間上的一個確定的位置。

不同信仰的物理學家已經採取了不同的方法來構建量子引力理論形式的解決方案。最流行的是弦理論，它用振動弦的環和片段代替粒子。弦理論成功地產生了引力的量子版本，但並沒有以一種明顯的方式與我們的世界相連。它也沒有解決這些基本的概念問題。弦論的主要競爭對手，環量子引力，是直接量化廣義相對論的一種嘗試。 這導致一些物理學家後退一步，以不同的方式提出這個問題。發展對某些現象（如電磁場或原子集合）的量子描述的標準方法是從經典描述開始，然後對其進行「量化」。當涉及到引力和時空時，這種方法一次又一次地失敗了。自然也不是這樣運作的。現實世界並不是以經典的方式開始，然後以某種方式量化。它從一開始就是量子的，經典世界作為近似值出現。