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项目|时空本源是量子纠缠

莎士比亚曾写下这样一句话：“整 个世界是一个舞台 。 ”物理学家也倾向 于以这种方式思考 ， 他们的舞台就是 空间本身 。 在他们看来 ， 对于空间中 容纳的各种力和场的相互作用 ， 空间 有时仅仅只是一块背景 。 空间本身 ，按照传统的观点来看 ， 并不是由其他 什么东西构成的 。然而 ， 一些科学家开始质疑这一 传统观点 。 空间——或者说广义相对 论里的时空——实际上可能是由小块 的信息组成的 。 根据这个想法 ， 这些 小块的信息通过彼此间的相互作用 ，创造出了时空并赋予其各种特性 ， 比 如引起引力效应 。 这个观点如果正 确 ， 就不仅能解释时空的起源 ， 还可能 帮助物理学家建立起他们追寻多年的 量子引力理论 。科学家希望通过量子计算和理论物 理的结合 ， 来研究时空是否是由微小的 信息比特通过量子纠缠构建起来的 。 两 大物理学理论是否能统一在一起至关重 要 ， 因为目前他们是不相容的 。
破解宇宙代码的畅想
空间是由小块信息组成的这 种可能性吸引了数百位物理学 家 ， 他们在“it from Qubit”项目 的资助下每三个月左右碰面一 次 ， 进行讨论 。 项目名中的“it”指 的是时空 ， “qubit”（量子比特 ， 来 自 quantum bit）代表量子尺度下 的最小可能信息量 ， 类似于计算 机中的 bit（比特） 。 “it from Qubit”背后的设想是 ， 宇宙由某种底 层代码构筑而成 ， 通过破解这些 代码 ， 物理学家最终可以找到一 个方法 ， 去理解宇宙中那些大尺 度事件的量子本质 。最近的一次“it from Qubit” （IfQ）会议于 2016 年 7 月在加拿 大安大略省的圆周理论物理研究 所举行 。 主办方原本预计约有90 人注册 ， 但是因为收到了太多的 申请 ， 结果最终不得不接收了200 人 ， 并在别的大学同时举办6个远 程卫星会议 。 “我认为 ， 就算由信 息构成时空不是最有希望解决量 子引力问题的途径 ， 至少也是其 中之一 。 ”普林斯顿大学的博士后 研究员内特·恩格尔哈特说 。 恩 格尔哈特虽然不是“it from Qubit”项目的正式成员 ， 但还是参加 了其中不少会议 ， 他说：“这方面 的研究刚刚起步 。 ” 因为这个项目既涉及量子计 算 ， 又涉及时空与广义相对论的 研究内容 ， 所以它把两组以前没 有什么交集的研究人员整合在了 一起 ， 其中一组是量子信息科学 家 ， 另一组是高能物理与弦理论 领域的科学家 。 大约一年前 ， 支 持科学和数学研究的私人机构 “西蒙斯基金会”拨款成立了“it from Qubit”合作项目 ， 并资助物 理学家在这个领域做研究以及开 会讨论 。 自那以后 ， 物理学家对 这一课题的热情日益高涨 ， 接连 的会议吸引了越来越多的研究 者 ， 其中一些是西蒙斯基金会资 助的这个合作项目的正式成员 ，还有许多人则单纯是对这个课 题感兴趣 。 IfQ 项目组的成员、 圆周理论物理研究所的博士后 研究员吉田红说：“这个项目正 在解决一个非常重要但同时又 非常困难的问题 。 合作是必要 的 ， 因为这看起来不像是一个人 就能解决的问题 。 ” 这个计划甚至引起了项目外 的科学家的注意 。 没有参与 IfQ 项目的哥伦比亚大学弦理论专家 布莱恩·格林说：“如果理论物理 与量子信息理论的结合真如人们 预期的那样成功 ， 那么这种结合 将极有可能在空间和时间的理 解上带来下一次革命 。
【项目|时空本源是量子纠缠】纠缠与时空
时空由比特或者什么别的 东西“组成”的设想是与广义相 对论的预言背道而驰的 。 新的 观点认为 ， 时空并不是基本的 ，而是通过量子比特的相互作用 “涌现”出来的 。 这些比特到底 是由什么构成的 ， 它们又包含着 哪些信息 ， 科学家也不知道 。 然 而 ， 有趣的是 ， 这些问题并未给 科学家带来困扰 。 “重要的是比 特之间的关系”而不是比特本 身 ， IfQ项目组成员、斯坦福大学 的博士后布莱恩·斯温格尔说： “这些集体关系是宇宙丰富物理 特性的源泉 。 这里的关键不是 它们的组成单元 ， 而是这些单元
组合在一起的方式 。 ” 这种组合的关键可能是一 种被称为量子纠缠的奇怪现象 ，这是粒子之间可能存在的一种 不可思议的关联 ， 两个纠缠的粒 子即使相隔很远 ， 对其中一个粒 子进行操作也会对第二个粒子 造成影响 。 IfQ 的首席研究员、 宾夕法尼亚大学物理学家维贾 伊·巴拉苏布拉马尼亚恩说：“最 近有人提出了一个极为诱人的 方案：时空的结构是由更基本的 某种‘时空原子’通过量子纠缠 编织而成的 。 如果这是真的 ， 那 实在是神奇 。 ” 这个想法背后的推理过程
来自物理学家先前的一些发现 ，比伊利诺伊大学香槟分校的笠 真 生 和 京 都 大 学 的 高 柳 匡 在 2006年合作发表的论文表明 ， 时 空的几何结构和纠缠存在着关 联 。 在这项工作的基础上 ， 2013 年 ， 普林斯顿高等研究院的物理 学家胡安·马尔达西纳和斯坦福 大学的物理学家伦纳德·萨斯坎 德发现 ， 如果两个黑洞纠缠在一 起 ， 它们就会产生虫洞 ， 即广义 相对论所预言的一种时空中的 捷径 。 这项发现（根据提出虫洞 和纠缠的科学家的名字 ， 物理学 家 给 两 者 的 关 系 起 了 个 绰 号 “ER=EPR”）和其他相关工作令 人惊讶地表明 ， 过去被认为不涉 及实体联系的纠缠竟然能产生 时空结构 。
要理解纠缠如何产生时空 ，物理学家首先必须更清楚地理 解 纠 缠 到 底 是 怎 样 发 挥 作 用 的 。 自从 1935年爱因斯坦和合 作者预言了量子纠缠以来 ， 就像 爱因斯坦自己形容的那样 ， 这种 现象看上去一直“如幽灵般”神 秘 ， 因为两个相距甚远的粒子竟 然可以发生瞬时联系 ， 这看起来 似乎破坏了一个铁律——任何 东西都不能超过光速 。 最近 ， 科 学家一直在研究几种不同类型 的纠缠 。 常规的纠缠涉及的是 散布在空间中的多个同类粒子 间单个属性（比如粒子的自旋） 的关联 。 但是 ， “常规的纠缠是 不够的” ， 巴拉苏布拉马尼亚恩 说 ， “我已经认识到存在其他形 式的纠缠 ， 那些纠缠与这个重构
时空的项目息息相关 。 ”比如 ， 可 以让不同种类的粒子在同一个 位置发生纠缠 ， 即一种不涉及空 间的纠缠 。 科学家也在着手攻 克由更多数目的粒子相互纠缠 而带来的令人眩晕的复杂性 。科学家期望 ， 一旦认清了纠 缠的机制 ， 他们就能够理解时空 是怎么涌现出来的 ， 就像空气中 原子的微观运动产生热力学和天 气的复杂模式一样 。 这些都是 “涌现”现象 ， 恩格尔哈特说 ， “当 你把镜头拉远 ， 从更宏观的角度 看一个东西时 ， 你会看到与之前 不大一样的图像 ， 你甚至不知这 个图像来自于更小尺度的物理机 制 。 这是IfQ最迷人的地方之一 ，因为我们现在还不清楚时空涌现 背后的基本量子动力学 。
二维理论
这项工作的主要目标是得到 一个理论 ， 能从量子角度来描述 引力 。 但是追求量子引力的物理 学家在过去一个世纪里一直不断 受阻 。 爱因斯坦自己生前就一直 在顽强地寻求这样的理论 ， 但直 到他去世都没有成功 。 IfQ的科 学家寄希望于一种名为全息原理 的理论来帮助他们 。这个原理是指 ， 一些物理理 论可以等价于低维宇宙中更简 单的理论 。 就像一张二维明信 片上面的独角兽全息图 ， 它可以 储存全部的必要信息 ， 来描绘出 独角兽的三维立体形状 。 因为 找到一个可行的量子引力理论 很难 ， 但是按照全息原理 ， 科学 家可以尝试在比我们的宇宙维 度更低的宇宙中找到一个易于 操作的等价理论 。全息原理一个最为成功的 实例是名为 AdS/CFT 对偶（反 德 西 特 时 空/共 形 场 论 对 偶，anti-de Sitter/conformal field theory correspondence的首字母 缩写）的理论 。 这个理论表明 ，我们完全可以通过描述黑洞的 表面行为来描述黑洞本身 。 换 言之 ， 内部（三维的“体”）的物理
规律完美地对应于外部（二维的 “边界”）的物理规律 。AdS/CFT 或许能让物理学 家找到一个与量子引力等价的理 论 ， 在完全不考虑引力的情况下 ，以更简单的方式完成相同的目 标 ， 描述相同的物理规律 。 巴拉 苏布拉马尼亚恩说: “引力理论很 难用量子化的方法描述 ， 然而不 包含引力的理论却可以很容易做 到 。 ”但是 ， 可能有人会问 ， 不包含 引力的理论怎么能成为所谓的量 子引力理论呢？也许 ， 我们眼中 的引力和时空 ， 只是另外一种看 待纠缠的最终产物的方式 。 换句 话说 ， 在某种程度上 ， 是纠缠把三 维体内的信息编码成了比特 ， 并 储存在二维边界上 。在过去的 20 年里 ， 科学家 发 现 AdS/CFT 对 偶 是 奏 效 的——二维的理论的确可以描 述三维的情形 ， 这种机制被称为 对偶——但是他们还没有完全 理解为什么会这样 。 斯温格尔 说:“（IfQ）有 个 值 得 期 盼 的 成 果 ， 就是一个能够解释对偶机制 的理论 。 我想 ， 通过这样的合 作 ， 我们必然可以完成这个目 标 ， 或者至少（我们可以）在这个
方向上取得重大进展 。 ” 量子信息理论或许能够有 所帮助 ， 因为该领域中一个叫作 量 子 纠 错 码 的 概 念 也 能 够 在 AdS/CFT 对偶中发挥作用 。 因 为比特之间的纠缠会受到干扰 ，所以研究量子计算的科学家设 计了这些纠错码以防止信息丢 失 。 量子计算机并不是用单个 比特编码信息的 ， 它利用的是多 个比特的高度纠缠态 。 这样一 来 ， 单个比特的错误将不会影响 一条信息的准确度 。 但奇怪的 是 ， 量子纠错的数学规律同样出 现在了 AdS/CFT 对偶里 。 科学 家将多个比特纠缠在一起设计 成纠错网络的方法 ， 看起来也能 用来把黑洞内部的信息通过纠 缠编码到黑洞的边界上 。 希伯 来大学的量子计算科学家 ， IfQ 首席研究员多里特·阿哈罗诺夫 说:“你在黑洞内部可以找到量 子纠错码 ， 这是一件非常有趣的 事情 。 ” 即使物理学家成功理解了 AdS/CFT 的工作原理 ， 从而设 计出一个可以替代量子引力理 论的低维理论 ， 他们仍然没有 获得成功 。 这个对应本身只对 宇宙的“玩具模型”有效 ， 而这 一模型是对我们所处真实宇宙 的简化 。 特别是 ， 适用于我们
真实宇宙的各种引力法则 ， 并 不适用于上述对应原理中的简 化世界 。 “我们的宇宙一直在膨 胀 ， AdS/CFT 中虽然有某种形 式的引力 ， 但它不是能正确描 述膨胀宇宙的引力理论 ， ”斯温 格尔说 ， “它描述的是一种像瓶 子一样的宇宙——如果你发射 一道光线 ， 它会打到空间的墙 面上再反射回来 ， 这在我们所 生活的膨胀宇宙里是不可能发 生的 。 ”这个模型给物理学家提 供了一个有用的理论场地 ， 去 测试他们的想法 ， 在简单的图 像里 ， 攻克量子引力会变得相 对简单一些 。
一些质疑者说 ， 如果 IfQ 建 立在不真实的基础上 ， 它能得到 什么有意义的结果呢？“这无疑 是一个非常有力的批评 ， ”恩格 尔哈特说 ， “为什么我们把注意 力放在这个玩具模型上？这一 方面是因为玩具模型本身是正 确的 ， 另一方面我们认为 ， 玩具 模型事实上可以代表我们的宇 宙 。 我很确定的是 ， 如果我们能 完全理解玩具模型 ， 我们就能理 解真实的宇宙 。 ”IfQ的研究者相 信 ， 从一个比较容易着手的简单 图像开始 ， 通过添加必需的复杂 因素 ， 最终能把上述理论应用到 真实的世界中 。
又一次革命
尽管有质疑声 ， 但不管是这 个项目组内 ， 还是与项目无关的 科 学 家 都 认 为 IfQ 值 得 尝 试。它已经开辟了新的研究领域 。加利福尼亚大学伯克利分校的 物理学家拉斐尔·布索说：“我长 久以来就觉得量子信息和量子 引力之间的联系极为重要 。 ”布 索虽然不是 IfQ 项目组成员 ， 但 和项目组的一些成员有合作 。“这种联系在近些年不断加深 ，我很高兴看到如此多的杰出物 理学家在一起工作 ， 共同面对其 中的问题 。 这最终会带我们走 到哪里 ， 让我们拭目以待吧 。 ”同
样不是 IfQ 项目组成员的斯坦 福大学理论物理学家伊娃·西尔 弗斯坦认同这一看法：“很明显 ，发展和运用量子信息来研究这 些问题是值得去做的 ， 但为了理 解（量子引力的）动力学 ， 我们需 要做的还有很多 ， 很重要的一点 是 ， 我们不能过于狭隘地把注意 力只放在某一个方法上 。 ” 此外 ， 即使这个项目没能给 我们一个量子引力理论 ， 它仍可 能产生有价值的研究分支 。 比 如 ， 将弦理论和广义相对论的技 术和想法运用到用量子信息问 题中 ， 将有助于我们以更好的方
式定义不同类型的纠缠 ， 从而帮 助我们理解时空以及构造量子 计算机 。 “当你把这些工具运用 到新的环境中 ， 很可能会得到在 其他领域很有用的有趣想法 ， ” 阿哈罗诺夫说 ， “目前看来 ， 研究 者正在一些已经滞留多年的问 题上取得进展 ， 这是非常令人兴 奋的 。 ”比如 ， 科学家已经发现 ，如果把虫洞看作量子电路 ， 就有 可能在虫洞里测量时间 。更进一步说 ， 把量子信息科 学和弦理论结合起来 ， 或许不仅 有助于我们建立量子引力理论 ，还能帮助我们评判物理学家发 现的任何一种理论 。 任何一个 物理理论都可以看成一台计算 机 ， 它的输入和输出就相当于理
论中可测的初态和末态 。 而有 些计算机要比其他计算机更强 大 。 一旦研究者得出一个量子 引力理论 ， 他们可以问 ， 这个理 论的计算能力是怎样的？“如果 这个理论的计算能力太强 ， 以至 于可以计算在我们的世界中不 可能计算的东西 ， 那么我们至少 会给这个理论打一个问号 ， ”阿 哈罗诺夫说 ， “这实际上是一种 从不同的角度来判断该理论是 否合理的方法 。 ” 该项目让一些物理学家想 起了过去一些重大理论刚刚起 步时那些激动人心的年代 。 “我 在 1984 年开始读研究生 ， 那一 年 恰 逢 所 谓 的 第 一 次 弦 论 革 命 ， ”加州理工学院的物理学家
大栗博司说 ， “那是一个激动人 心的时代 ， 弦论逐渐成为大统一 理论最有力的候选者 。 我看到 ，现在围绕这个项目的爆炸式热 情就如同当年一样 。 对这个领 域的年轻人来说 ， 这无疑是一个 令人兴奋的年代 ， 对我们这些在 几十年前拿到博士学位的人也 是一样 。 ” （本文作者是《科学美国人》 负责太空和物理学领域的资深 编辑 。 她在美国卫斯理大学获 得了天文学和物理学的学士学 位 ， 并在加利福尼亚大学圣克鲁 兹分校获得了科学采访人员硕士学 位 。 本文翻译郭敏勇是北京师 范大学物理系引力与相对论专 业博士研究生）

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