量子引力研究能否揭示时间的本质问题？

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讯12月13日消息 据连线杂志网站报道，理论物理学家试图统一量子力学和广义相对论，使之成为一个大一统的量子引力理论，不过他们首先遇到了“时间问题”。

在量子力学中，时间是普遍和绝对的。在时间稳定的嘀嗒声中，粒子彼此之间不断纠缠。但在广义相对论（爱因斯坦的引力理论）中，时间是相对的和运动的，时间与传统意义上的X、Y和Z轴相交织，形成四维的时空结构。这个四维构造会在重力的作用下扭曲，导致附近的物体向扭曲中心运动（这便是引力），同时相对于远距离钟表而言该处的时间流逝会变慢。另一种情况下，若你搭乘火箭升空，通过燃料动力摆脱引力，时间会膨胀，结果会导致你的年龄比起一直坐在家的人要小一些。

想要统一量子力学和广义相对论需要调和二者关于绝对时间和相对时间的矛盾。最近一个很有前景的关于量子引力地研究似乎为此提供了答案，可以让人从中一瞥时间的本质。

许多世界顶级物理学家认为时空和引力是“呈展现象”（Emergent Phenomena）：时空是由内部互相纠缠的量子位（信息的量子单位）形成的全息图，这就仿佛电脑游戏中的三维场景被编码在硅芯片上一样。“我认为我们现在弄明白了，时空实际上只是这些基本量子系统纠缠结构的几何表达。”不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家马克·范·拉姆斯多克（Mark Van Raamsdonk）说。

（图：在新的研究中，拉姆斯多克认为暗物质是量子纠缠时空全息图造成的错觉）

研究人员已经通过数学手段弄明白了这种全息图如何在模型宇宙显现。模型宇宙拥有被称为反德西特（anti-de Sitter，AdS）空间的鱼眼空间结构，在这些扭曲的空间中，距离中心越远，空间增量越来越短。最终从中心延伸而出的空间维度收缩到无，达到极限边界。

这种边界——比内部时空少一个空间维度——给探究全息图的纠缠量子位提供了基础。哈佛大学和布兰迪斯大学的布莱恩·斯温格（Brian Swingle）说：“在反德西特空间的中央区域，时间和空间开始以戏剧性的方式弯曲，我们对边界状态下的此种机制已有所了解。”他说的是纠缠的量子位。

就像在计算机代码中执行步骤一样，量子位的状态随通用时间的流逝而演变自身。只不过其情形与在我们宇宙中运转的方式并不完全一致。

德西特空间中的时空结构在反德西特空间的边界上形成“时间的终结”。此时，在被称为“热死亡”的情形中，时空被伸展到无以复加的程度，以至于事物彼此之间距离太远，任何信息都无法在它们之间传递。熟悉的时间概念崩溃了。从那时起，什么也没有发生。

在时空泡无时间性的边界上，因为量子关联不需要来回传递信号，量子位的纠缠将保持完整。但是量子位的状态必须是静态的和永恒的。这种推理表明，正如反德西特空间边界上的量子位产生额外的空间维度，德西特空间的永恒边界上的量子位必定产生具有时间——而且是动态时间。研究人员尚不清楚该如何做这些计算。斯温格说：“在德西特空间，我们无法理解时间是如何出现的。”

唐·佩奇（Don Page）和威廉·沃特思（William Wootters）在20世纪80年代作出的理论见解或许可以提供帮助。两人发现全局静态的系统也可以包含自内观察具有演变特征的子系统。这种被称为“历史态”的系统包含一个子系统，还有一个你可以称之为时钟纠缠的状态。子系统的状态会根据时钟的时间指向而不同。“但是系统和时钟的整体状态并不会随时间改变。”斯温格说。换句话说，全局的时间消失了，时间只存在于子系统中。

意大利研究人员团队在2013年通过实验证明了这种现象。研究组在工作总结中写道：“观察者使用两个光子中的一个作为时钟，来观测另一个光子的时间变化。然而在外部观察者看来，全局的纠缠状态并不发生变化。”

其他理论工作的出了类似的结论。例如描述粒子相互作用结果的Amplituhedron结构，同时也表明现实能从无时间性和存粹数学上产生。不过目前还不清楚 Amplituhedron 或者说这些全息图之间存在怎样的关联。

斯温格在关键之处指出，“通过某种方式，你可以使用纠缠从永恒的自由状态中产生时间。”

关于科学的谜题，时间会告知我们最终答案。