2019-09-24 由 趣味說 發表于科學

所以也許我們根本就不應該試圖量化引力。也許我們應該從一開始就制定一個量子理論，然後展示經典時空是如何從中產生的。這是一種新的方法，它對我們如何思考時空本身是由什麼構成的產生了戲劇性的後果。 為了在這個方向上取得進展，從我們目前最好的物理理論-量子場論開始，這是有幫助的。根據這一理論，世界的基本成分是場，例如電場和磁場。甚至像電子和夸克這樣的粒子也只是在空間中伸展的磁場中的振動。傳統上，我們可以通過將空間劃分成微小區域以近似方式確定的場的值。一旦我們升級到量子場論，遊戲中就會出現一個額外的特徵：不同區域的場值可以相互糾纏。由於量子的不確定性，我們不知道如果我們在某個位置測量場，我們將得到確切的答案，但糾纏意味著我們在某一點得到的答案將影響我們在任何其他點的測量結果。也許量化引力是錯誤的，時空一直潛伏在量子力學中。在普通量子場論的真空狀態下（沒有粒子飛來飛去），不同區域的場之間的糾纏直接與它們之間的距離有關，因此與時空的幾何形狀有關。鄰近區域之間的糾纏度很高，而較遠的區域之間的糾纏度很小。 這表明了一種有趣的方式，可以逆轉我們正常的思維方式，從而在量子理論中找到時空。讓我們想像一下，從一個量子態開始，沒有預先存在的時空概念。現在我們可以嘗試反向工作，從糾纏中提取時空。 如果在普通物理學中，兩個區域之間的糾纏度隨著兩個區域之間的距離越來越遠而減小，那麼讓我們想像一下，將距離定義為與糾纏度有關的距離。在這種情況下，量子態會自動給出它的任意兩部分之間的「距離」，因此定義了這個新興空間上的幾何體。 到目前一切尚好。但是量子態存在於每個時刻，所以它充其量只能定義那個時刻的空間幾何。我們想把它擴展到四維時空。 值得慶幸的是，這裡我們可以從馬里蘭大學的物理學家泰德·雅各布森（Ted Jacobson）那裡借用一個技巧，他在1995年展示了我們如何從關於熵和幾何關係的簡單假設中推導出廣義相對論的愛因斯坦方程。 熵，一種無序的衡量標準，與糾纏直接相關：一個區域與世界其他地方的糾纏越多，它包含的熵就越多。愛因斯坦說，它是在向一個區域添加物質或能量，導致時空彎曲。雅各布森表明，如果我們堅持熵的量必須與包圍該區域的面積成正比，增加區域的糾纏度也可以產生同樣的效果。這在空白空間中當然是正確的，但雅各布森提出，即使空間不是空的，它仍然是正確的。你可以嘗試添加更多的糾纏，但時空會彎曲以進行補償，因此熵始終與面積成正比。 所以愛因斯坦說，能量導致曲率，而雅各布森說，糾纏產生曲率。但雅各布森也認為，這其實是一回事：每當你加入糾纏，能量必然隨之而來。從這個邏輯中，他能夠推導出他的方法中的時空曲率遵循愛因斯坦第一次寫下廣義相對論的同一方程。引力，似乎可以產生於糾纏，而不是直接來自質量和能量。這個顯著的結果就是現在所謂的「熱力學」或「熵」引力的開始。

現實的本質

但它並沒有把我們帶到我們需要去的地方。在推導引力來自何處的另一種圖景時，雅各布森假設了一個經典的時空，並想像其中存在量子場。理想情況下，我們希望從一開始就保持一切量子，並推導出時空本身的存在。這是肖恩·卡洛爾（Sean Carroll）最近與他的合作者一起嘗試的。我們不是從生活在時空中的振動量子場開始，而是從完全抽象的量子「自由度」開始。 這只是一些量，可以有不同的值，獨立於其他量。在牛頓力學中，自由度是粒子的位置和速度；在場論中，它們是場的值和變化率。在我們的方法中，自由度沒有任何直接的物理解釋。它們是現實的基本材料，是創造其他一切事物的本質-一種預先存在於一切事物中的「量子性」。最重要的是，這些量子自由度彼此糾纏在一起。 考慮到這一點，我們顛覆了雅各布森的想法。現在我們可以將一個區域周圍的區域定義為其自由度與外部世界的糾纏。果然，相應的幾何符合愛因斯坦的廣義相對論方程。換句話說，引力可以直接從現實的量子本質中浮現出來，而不需要量化任何假設的經典東西。