当代科学6大基本难题之一

咱们每个人，无时无刻无处不在与时刻与空间密切触摸。时刻与空间对咱们每个人来说，好像是理所当然的存在。所以，许多人以为，时刻便是时刻、空间便是空间，这是极其天然的事物，这有什么值得好研讨，或为什么是个问题，更是今世科学的一大底子难题呢？

事实是，科学越向纵深开展，不管是越向极为宏观的世界国际开展、还是越向极为微观的粒子国际开展，越需求咱们面对与认知这样一个最为底子、最为底子的问题：时空究竟是什么？

时空，即时刻与空间的简略调集名词（时刻+空间）。时刻和空间是人类文明中最古老的概念。在今世物理学中，更一般地说，在今世天然科学中，时刻和空间是一切理论的根底。然而，咱们从未直接看到时空。咱们是从日常经验中揣度出它的存在。咱们假定，对咱们所看到的时空现象最方便的描绘，是在时空中运作的某种机制与现象。

物理学家从绵长的困境中，逐步学到到一些东西来将时空统一到所取得的理论，那便是必须将空间和时刻构成了一个适当惊人的时空杂乱体系，它与咱们通常的了解彻底不相同，时空来自更为深层次的东西。这一理念打破了2500年来的科学和哲学的了解。

爱因斯坦在人类历史上于1915年第一个意识到这点。他提出了广义相对论，假定引力不是经过太空传播的力气，而是时空自身的特征。当球高高地被抛向空中时，它又回到地面，是由于地球歪曲了它周围的时空，所以球的途径和地面再次相交。简单地来说便是，广义相对论的引力场理论与时空严密相连。

在牛顿万有引力理论中，空间和时刻是分隔的，不能混合在一同。而在爱因斯坦的理论下，它们是混合在一同的。在给朋友的一封信中，爱因斯坦考虑了将广义相对论与其时重生的量子力学理论结合在一同。这不只会歪曲空间，还会撤除空间。在数学上，他几乎不知道从哪里开端。“这种办法使我扎手棘手！”他写道。提出了广义相对论后的很长的一段时期里，爱因斯坦一直在探究这条途径。即便在今天，对量子引力理论的研讨的争辩仍未停息。

不管物理学家以为引力有多少量子效应，它依然较弱。举个简单比方，磁铁吸住一个金属件能够逾越整个地球对此金属件的引力。磁力或电力或核力比引力还强。今世科学家们正在学习重力究竟是怎么作用的，它是4种底子力之一，也是迄今对此测验数据最少的一种力。曩昔科学家们很容易过于自信对于重力的了解。今世科学家们正在经过以下强引力的极点途径从头认知时空的特点。

时空与黑洞

黑洞具有极点的超强引力，是查验广义相对论强引力场理论的“完美试验室”，所以也是探究时空特点的“完美试验室”。因而，对超大质量黑洞邻近的现象进行直接丈量，被称为“极点天体物理学”。理论物理学家用黑洞研讨作为理论支点，尽或许地模拟量子引力。问题是，当在试验室条件下使用能够完美运行的方程，并将其揣度到最极点的或许状况时，会发生什么？是否会呈现一些奇妙的缺点？

广义相对论猜测，落入黑洞的物质在挨近中心时会被无限制地紧缩，这个中心被称为奇点的数学死点。理论上无法揣度超出奇点的物体轨迹，时刻在那里结束。乃至谈到“那里是哪里”都成问题，由于界说奇点方位的十分时空不复存在。科学家期望量子理论能够将微观调查体系会集在该点上，并盯梢落入其间的物质。

在黑洞的鸿沟处，物质不是那么紧缩，引力较弱，按理说，物理学的已知定律依然应该树立。假如不是这样，反而令人困惑。黑洞被一个事件视界区分为了一个不归路：落入的物质无法回归、不可逆转。这又是一个问题，由于物理学的一切已知底子定律，包括通常了解的量子力学定律，都是可逆的。至少在原则上，应该能够改动一切粒子的运动并康复所拥有的粒子。

19世纪后期，一个十分类似的难题面对物理学家，其时探究“黑体”的数学描绘，理想化为充溢电磁辐射的空腔。麦克斯韦电磁理论猜测，这样的物领会吸收碰击它的一切辐射，而且它永久不会与周围的物质达到平衡。从热力学的角度来讲，它犹如具有绝对零度的温度。这个结论与现实生活中的黑体（如烤箱）的调查成果相对立。继普朗克的研讨之后，爱因斯坦标明，假如辐射能量以离散单位或量子办法呈现，黑体能够达到热平衡。

近半个世纪以来，理论物理学家一直企图取得类似的黑洞描绘。闻名物理学家霍金在20世纪70年代中期迈出了一大步，其时他将量子理论应用于黑洞周围的辐射场，并证明它们具有非零温度。因而，它们不只能够吸收而且还能够开释能量。尽管他的剖析在热力学的变换中带来了黑洞，但也加深了不可逆性的问题。出射辐射从孔的鸿沟外部呈现，而且没有关于内部的信息。它是随机热能。假如改动这个进程并从头投入能量，那些掉进去的东西就不会弹出来，会得到更多的热量。一同无法想象原始的东西依然存在，仅仅被困在黑洞内，由于当黑洞宣布辐射时，它会缩短，依据霍金剖析，它最终会消失。

所以依据目前理论，假如将一物体放入黑洞中，就无法找回任何信息。那是由于黑洞的引力十分地强，以至于它的逃逸速度比光还快。然而，量子力学说量子信息不或许被破坏。这个问题被称为“信息悖论”，由于黑洞会破坏有关能够让返回动作的无效粒子的信息。假如黑洞物理真的是可逆的，那么必须将某些信息带回来。到目前为止，物理学家无法就黑洞内的信息解说达成一同。问题是，咱们对时空的概念或许需求改动才能完成。

科学家们最近对最挨近银河系中心的超大质量黑洞的邻近进行了广义相对论测验。结论是，爱因斯坦是对的。广义相对论以为，当光从恒星向咱们传播时将失掉能量。能量的损失意味着光变得更红，这被称为引力红移。所丈量到的红移与广义相对论的猜测一同。不过爱因斯坦的理论也显示出缺乏，它不能彻底解说黑洞内部的引力。需求有逾越爱因斯坦的理论，树立一个更全面的引力理论，解说黑洞是什么。

时空原子

热是微观的随机运动，例如气体分子。由于黑洞能够升温和降温，所以具有必定的微观结构。由于黑洞仅仅空的空间，黑洞的部分必须是空间自身的部分。就像一片空旷的空间看起来相同，它具有巨大的潜在杂乱性。

即便是运用传统的物理理论，在微观标准上的时空背面隐藏着某种东西。在20世纪70年代后期，物理学家温伯格尝试用与其他天然界力气大致相同的办法来描绘引力，依然发现时空在最精细的标准上得到了彻底的改动。

物理学家最初将微观空间可视化为一小块空间的马赛克。假如你扩大到普朗克标准，一个几乎不可思议的小尺寸：10的负35次方米，物理学家以为会看到类似棋盘的东西。但这不或许是正确的。一方面，棋盘空间的网格线会使某些方向超越其他方向，从而发生与特别相对论相对立的不对称性。例如，不同色彩的光或许以不同的速度传播，就像在玻璃棱镜中相同，它将光折射成其组成的色彩。尽管通常很难看到对小规模的影响，但实际上适当明显地违反了相对性。

黑洞的热力学进一步置疑将空间描绘成简单的马赛克。经过丈量任何体系的热行为，至少在原则上能够核算其组成部件。假如它射出，那么能量必须涣散在相对较少的分子上。实际上，丈量体系的熵代表了它的微观杂乱性。

假如对一般物质进行这样的试验，则分子数量会跟着材料的体积而添加。比方说，假如将一个气球的半径添加10倍，那么内部分子数就会添加1000倍。可是假如将黑洞的半径添加10倍，那么揣度的分子数量只添加了100倍。它所构成的“分子”数量必须与其体积成正比。黑洞或许看起来是三维的，但它的表现像是二维。

这种奇怪的效果归结为全息原理，它使人联想到全息图，它将咱们呈现为如三维物体。然而经过细心研讨，成果证明是由二维胶片制成的图像。假如按全息原理核算空间及其内在的微观成分，那么必须付出更多的代价树立更多的空间，而不是拼接它的一小部分。

不管怎么，部分与全体的联络很少如此开门见山。 比方考虑液态水的作用：它活动，构成水滴，可带有涟漪和波浪，可冻住和沸腾。可是对于独自的一个H2O分子来说，不能做到这一点，由于那些是团体的行为。同样地，空间的构建块不需求是空间的。 德国普朗克引力物理研讨所的科学家以为，空间原子不是空间的最小部分，它们是太空的组成部分。空间的几何特点是由许多这样的原子组成的体系的新的团体的近似特点。

究竟是什么样的构建块，取决于不同的理论。在环量子引力中，它们是经过应用量子原理聚合的体积量子。在弦理论中，它们是类似于电磁的场，存在于表面上，由一条移动的线或能量环的弦线所描绘出来。在M理论中，它与弦理论有关而且或许是它的根底，它们是一种特别类型的粒子：一个缩小到必定程度的膜。在因果集理论中，它们是由因果网络相关的事件。在扩大器理论和一些其他办法中，底子没有构建块，至少在任何传统意义上都没有。

尽管这些理论的构建原则各不相同，但表现的都是17和18世纪德国哲学家莱布尼兹的联络主义观。从广义上讲，联络主义以为空间是由目标之间的某种相关形式发生的。在这种观念中，空间是一个拼图游戏。从一大堆碎片开端，看看它们怎么衔接并相应地放置它们。假如两件具有相似的特点，例如色彩，则它们或许在邻近；假如它们适当不同，暂时将它们分隔。物理学家通常将这些联络表达为具有特定衔接形式的网络。这种联络由量子理论或其他原理决定。

相变是另一个一同的问题。假如组装空间，它也或许被拆开，然后它的构建块能够组织成看起来像空间的东西。有物理学家以为，就像不同的物质阶段，如冰，水和水蒸气，空间原子也能够在不同的阶段从头配置自己，按照这个观念，黑洞或许是空间融化的地方。已知的理论现已溃散，需求更一般的理论来描绘新阶段会发生什么。即便空间抵达结尾，物理仍需继续。

时空与羁绊

近年来的严重完成，应该算是触及量子羁绊的相相关络，量子力学所固有的一种额定强大的相关性，羁绊好像比空间的概念更为奇特。例如，试验能够发生两个在相反方向飞翔的粒子，假如它们羁绊在一同，不管它们有多远，都会保持协调。

曩昔当人们议论“量子”引力时，指的是量子离散性，量子涨落以及量子理论中几乎一切其他量子效应，但不与量子羁绊联络在一同。当探究黑洞不得不需求与此联络在一同时，状况发生了改变。在黑洞的整个生命周期中，羁绊的粒子落入其间，可是在洞彻底蒸发之后，他们在外面的伙伴们一直没有被羁绊在一同。

即便在真空中，周围没有颗粒，电磁场和其他场也在内部羁绊。假如在两个不同的方位丈量一个场，读数将以随机但协调的办法摇摆。假如将一个区域区分为两个，则这些碎片将相互相关，相关程度取决于它们共有的唯一几何数量：它们的界面面积。有物理学家以为，羁绊在物质的存在和时空的几何之间供给了一种联络。也便是说，它能够解说万有引力定律。更多的羁绊意味着更强的重力，即时空愈加僵硬。

量子引力的几种办法，其间最重要的是弦理论，现在看来羁绊是至关重要的。弦理论不只将全息原理应用于黑洞，而且还应用于整个世界，供给了怎么创造空间的办法，或者至少是其间的一部分。例如，二维空间能够经过字段进行线程化，当以正确的办法构造时，能够生成额定的空间维度。原始的二维空间将作为更广阔领域的鸿沟，称为大块空间。羁绊是将大块空间编织成接连全体的原因。

2009年，英国哥伦比亚大学的物理学家为这一进程提出了一个高雅的论点。假定鸿沟处的场不是羁绊的，它们构成一对不相关的体系。它们对应于两个独立的世界，无法在它们之间穿行。当体系羁绊在一同时，就好像在这些世界之间开辟了地道或虫洞，世界飞船能够从一个到另一个。跟着缠结程度的添加，虫洞长度缩小，将世界拉到一同，直到乃至不再把它们称为两个世界。大时空的呈现与这些场理论自由度的羁绊直接相关，当调查到电磁场和其他场中的相关性时，它们是将空间结合在一同的羁绊的残余物。

除了接连性之外，空间的许多其他特征也或许反映出羁绊。马里兰大学帕克分校的物理学家们以为，无处不在的羁绊解说了引力的普遍性，它影响了一切物体，无法被挑选出来。至于黑洞，斯坦福大学的闻名理论物理学家李奥纳特·苏士侃（Leonard Susskind）和普林斯顿高档研讨所的理论物理学家胡安·马尔达西那（uan Maldacena）以为，黑洞和它宣布的辐射之间的羁绊会构成一个虫洞，一个进入洞口的后门进口。这或许有助于保存信息并保证黑洞物理学是可逆的。

尽管这些弦理论思维仅适用于特定的几何形状，而且仅重建单一维空间，但一些研讨人员企图解说一切空间怎么从头开端呈现。例如，加州理工学院的物理学家们开端对体系进行极简主义的量子描绘，其制守时没有直接参考时空乃至是重要的。假如它具有正确的相关形式，则能够将体系切割成能够被识别为时空的不同区域的组成部分。在该模型中，羁绊度界说了空间距离的概念。

今世物理学家以为，在最微小的标准上，空间来自量子。这些组成块或许是什么样的？但量子引力的探究所得出的教训是，并非一切现象都能完美地融入时空。物理学家需求找到一些新的底子理论概念来迎接这些应战，假如能这样做，物理学家们或许将完成一个多世纪曾经爱因斯坦所开启的一场革命。