时空是像素化的吗？

量子引力特性的研究取得了进展。

远远看去的沙丘光滑无皱，就像铺在沙漠上的丝绸床单但是你看得越仔细，你发现的细节就越多当你接近沙丘时，你可能会注意到沙地上的波纹，触摸表面，你会发现沙粒数码图像也是如此:如果把一张看似完美的人像放大到足够大，你会发现无数不同的像素组成了这张图像

宇宙本身可能同样是像素化的加州理工学院物理学教授拉纳·阿迪卡里等人认为，我们生活的空间可能不是完全光滑的，而是由微小的离散单元组成时空像素很小，如果放大到一粒沙子那么大，原子就有一个星系那么大他说

阿迪卡里和世界各地的物理学家都在寻找这种像素化，因为这是对量子引力的预测，是我们这个时代最深奥的物理难题之一量子引力是指包括弦理论在内的一套理论，旨在将广义相对论控制的引力宏观世界与量子物理的微观世界统一起来这个谜题的核心是引力及其时空能否被量子化或分解成单个分量，这是量子世界的标志

有时在科学交流中会有一种误解，认为量子力学和引力是不可调和的加州理工学院理论物理学教授克利福德·张说，但从实验来看，我们可以在这颗引力星球上从事量子力学，很明显它们是一致的麻烦在于关于黑洞的微妙问题，或者试图在极短的距离尺度上统一它们

"重力是一个全息图."

—莫妮卡·康

由于问题涉及的尺度极小，一些物理学家认为在可预见的未来找到量子引力的证据是不可能的任务尽管研究人员提出了各种各样的想法，如何找到它存在的线索——围绕黑洞，在早期宇宙中，即使是美国国家科学基金会资助的LIGO天文台，也被用来探测引力波——但没有人在自然界中发现任何量子引力的痕迹

物理学教授凯瑟琳·祖里克希望改变这种状况最近，她成立了一个新的多机构合作团队，由Heising—Simons基金会资助，研究如何观察量子引力的信号该项目名为量子引力及其观测签名，组织了熟悉量子引力形式工具但实验设计经验不多的弦论者和粒子论者，以及擅长实验但不从事量子引力的模型建造者

认为有可能发现量子引力的可观测特征的想法远非主流她说，可是，如果我们不开始关注将量子引力与我们生活的自然联系起来的方法，我们就会在沙漠中迷路从观测特征的角度思考，可以把我们这些理论家联系起来，帮助我们在新的问题上取得进展

作为合作的一部分，Zurik将与实验者Adhikari合作，使用桌面仪器设计一个新的实验这项名为时空量子纠缠产生的引力的实验，将能够探测到的不是单个时空像素本身，而是那些产生可观测特征的像素之间的联系阿迪卡里将这种搜索比作调谐一台旧电视机

在我成长的过程中，当我们收不到NBC的节目时，我们会尝试调整频道但大多数时候，我们看到的只是像素的雪花我们知道那些雪花有些来自宇宙微波背景，或者宇宙诞生的时候，但是如果你只是调到峰值，你就能看到太阳风暴和其他信号的雪花这就是我们在努力做的:仔细聆听那些雪花或时空的波动我们将研究雪花的波动是否符合我们的量子引力模型这种想法可能是错误的，但我们必须尝试

宇宙的新蓝图

解决量子引力问题将是物理学最伟大的成就之一，可以和研究人员想要统一的两个理论相提并论爱因斯坦的广义相对论重塑了我们的宇宙观，表明空间和时间可以被视为一个连续体——时空，它会伴随着物质而弯曲根据广义相对论，引力只是时空的曲率

第二种理论——量子力学——描述了宇宙中除引力之外的另外三种已知力:电磁力，弱核力和强核力量子力学的一个典型特征是，这些力可以被量子化为离散的波包或粒子比如电磁力的量子化导致了一种叫做光子的粒子，构成了光在光子的微观尺度上幕后工作来传输电磁力虽然电磁场在我们习惯的大尺度上看起来是连续的，但是当你放大时，它会因为光子而变得凹凸不平那么量子引力的核心问题是:时空是否也会在最小尺度上变成泡沫粒子的海洋，还是会像一潭死水一样平静如镜物理学家普遍认为，引力在最小尺度上应该是颠簸的，这些牵绊是被称为引力子的假想粒子可是，当物理学家使用数学工具来描述引力如何在非常小的尺度上从引力子产生时，这一套东西就分崩离析了

数学上不可能，导致荒谬的答案如无穷大，而不是应该的有限数这意味着一定是哪里出了问题人们并不完全了解建立一个统一广义相对论和量子力学的一致理论框架有多困难，弗雷德·卡弗利大学理论物理和数学教授，理论物理研究所所长李·说这似乎不可能，但我们有弦理论

底弦

许多物理学家都会同意，弦理论是目前为止最完整且可能的量子重力理论它描述了一个10维的宇宙，其中6维蜷缩在看不见的地方，剩下的4维构成了空间和时间顾名思义，这个理论假设在最基本的层面上，宇宙中的所有物质都是由微小的弦组成的就像小提琴一样，琴弦以不同的频率或音符共振，每个音符对应一个独特的粒子，如电子或光子其中一个音符对应于引力子

哈罗德·布朗大学理论物理学荣誉退休教授约翰·施瓦兹是最早认识到弦理论的力量来弥合量子世界和引力之间的差距的人之一在20世纪70年代，他和他的同事jol Scherk使用弦理论的数学工具来描述强度但是，他们意识到，如果改变方向，理论的劣势可能会变成优势

我们没有坚持建立一个强有力的理论，而是接受了这个美丽的理论，并问自己它有什么好处施瓦茨在2018年的一次采访中说，事实证明，这对引力有很大的好处我们俩都没有研究过重力并不是我们特别感兴趣的东西，但是我们发现这个理论很难描述强度，会导致引力一旦我意识到这一点，我就知道在我的职业生涯中我会做什么

结果表明，与其他力相比，引力是一个奇葩"重力是我们知道的最弱的力"达利波解释道站在劳里森大楼的四楼，重力没有把我拉着穿过地板的原因是混凝土内部有电子和原子核在支撑着我因此，电场克服了重力

可是，虽然在越来越短的距离上强度下降，但重力却变得越来越强这些弦有助于软化这种高能量行为，栗崎浩史说

量子引力的桌面实验测试

弦理论的挑战不仅在于让它与我们日常的低能世界保持一致，还在于如何检验它为了观察在非常小的时空尺度上会发生什么——当它被理论化为颗粒时——实验将深入到所谓的普朗克长度距离，这是10—35米的数量级为了达到这样的极端规模，科学家们必须建造一个同样极端的探测器阿迪卡里说，一种方法是制造太阳系大小的东西，从而找到量子引力的特征但是这个太贵了，要几百年呢！相反，祖里克说，研究人员可以用小得多的实验来研究量子引力的方方面面对于我们的低能实验，不需要弦理论的整个机制她说，与弦理论相关的理论发展为我们提供了一些工具和定量的理解，这是量子引力中预计为真的东西

Zurik，Adhikari和他们的同事提出的实验方案专注于量子引力的影响，这种影响可以在更易于管理的10—18米的尺度上观察到这仍然非常小，但是使用极其精确的实验室仪器是潜在可行的

时空像素那么小，如果放大到一粒沙子那么大，那么原子就有一个星系那么大了。

—拉纳·阿迪卡里

这些桌面实验就像迷你LIGO:一个L形的干涉仪，在垂直方向发射两束激光两束激光从镜子反射，在起点相遇在LIGO的情况下，引力波将拉伸和压缩空间，从而影响激光相遇的时间量子引力实验将寻找一种不同类型的时空波动，它由引力子组成，这些引力子在一个叫做量子或时空的气泡中突然出现和消失研究人员不是在寻找单个引力子，而是在寻找这些假设的复杂粒子集之间的长程关联所导致的可观测特征祖里克解释说，这些长程连接就像是时空海洋中更大的涟漪，而不是单个粒子所在的多孔泡沫

"我们认为时空涨落的存在可能会干扰光束."她说，我们想设计一种装置，在这种装置中，时空波动会将一个光子踢出干涉仪激光束，然后我们将使用单光子探测器来读取时空扰动。

时间和空间的出现

"重力是一个全息图."加州理工学院谢尔曼·费尔柴尔德理论物理学博士后莫妮卡·金宇·康解释了全息原理全息原理是祖里克模型的一个关键原理这一原理是在20世纪90年代通过使用弦理论实现的，这意味着重力等三维现象可以从平坦的二维表面出现康解释说:全息原理是指物体体积内的所有信息都被编码在表面上

更确切地说，重力和时空是从二维表面上的粒子纠缠中产生的亚原子粒子在空间中纠缠在一起，作为单一实体，粒子之间没有直接联系，有点像一群八哥受弦理论启发的现代量子引力观表明，时空和引力是从纠缠网络中诞生的沿着这个思路，时空本身就是由某种东西的纠缠度来定义的康说

如果我们不开始关注将量子引力与我们生活的自然联系起来的方法，我们将在沙漠中迷路。凯瑟琳·祖里克

在Zurik和Adhikari提出的实验中，他们的想法是探索这种二维表面，或者他们所说的量子视界，以此来寻找引力子的涨落他们解释说引力和时空是从量子视界中出现的"我们的实验将测量这个表面的模糊程度."祖里克说

这种模糊性将代表时间和空间的像素化如果实验成功，它将有助于在最基本和最深层次上重新定义我们的重力和空间概念

如果我松开咖啡杯，它就会掉下来我认为这就是重力阿迪卡里说，可是，就像温度不是真实的而是描述一堆分子如何振动一样，时间和空间也可能不是真实的东西我们看到鸟类和鱼群步调一致地移动，但它们实际上是由单一动物组成的我们称群体行为为突现行为同样，从时空像素化产生的东西，恰好被赋予了引力的名称，因为我们还不明白时空的内核是什么

本文翻译自《量子引力:探索太空像素化》——加州理工杂志。