无趣的宇宙与复杂的时空

苗千

科学家们最新发现的宇宙或许会显得有些无聊，也让宇宙学家们松了一口气——最新分析结果显示，我们所生活的宇宙是一个没有方向性的宇宙。

也就是说，这个宇宙具有“各向同性”，在大尺度上我们无法绘制一幅关于宇宙的地图，它在各个方向上都相同。

最近，一组科学家通过分析欧洲航天局发射的普朗克卫星在2009到2013年之间所收集的宇宙微波背景辐射信号，得出了对宇宙形态最精密全面的分析结果，宇宙只有1/121000的概率具有某种方向性。宇宙学家们当然会欢迎这个结果，因为目前宇宙学中对于宇宙诞生和发展过程的描述都是基于宇宙具有各向同性这个重要假设。

从天圆地方的想象到地心说，再到日心说，人类一步步认识到自己并不处于宇宙的中心，现在的结论证明，在极大尺度上各处相同的宇宙并没有一个中心位置。通过爱因斯坦的广义相对论，人们理解宇宙正处在膨胀的过程中，因此有很大的可能宇宙各处的性质都相同。但在理论上，还有其他的可能性。

宇宙学理论描述，宇宙诞生于大爆炸产生出的一种均匀的亚原子“粒子汤”，但是随后宇宙发生了“暴胀”，瞬间就把宇宙从微观状态拉伸到了宏观状态。在这种情况下，微观状态下的极小的不均匀都可能导致宏观宇宙出现整体性的不均匀，从而具有方向性。宇宙有可能在某个方向上膨胀速度更快，在这种情况下，宇宙微波背景辐射的信号会在这个方向上被拉伸；宇宙也有可能沿着某一条轴旋转，这种旋转也会在宇宙微波背景辐射信号中留下某种印记。科学家们总共做出了宇宙具有方向性的五种假设，但是他们在利用超级计算机对普朗克卫星收集到的信号进行分析之后，仍然只发现了随机的噪音，这个结果也证明了2000年美国航空航天局发射的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）发现的宇宙有可能具有方向性的可能性只是统计上的误差而已。宇宙中的粒子并不是均匀分布，而是聚集在一起组成了各种天体和星系，但是在大尺度上，各个方向上是均匀的。

各向同性的宇宙看起来或许有些无趣，但是时空绝非如此，物理学家们开始发现，空间可能有着更深刻的结构，而时间与空间的联系也可能与量子纠缠有关。时空是什么？这听起来或许更像是一个哲学问题。人类的科学都是建立在时空背景之下，似乎没有时空，科学也就失去了依托。但是，时空是否是最本质的存在？时空的结构是什么，又是什么把时间和空间连接在了一起？越来越多的理论学家们开始关注这个问题。

量子纠缠听起来玄而又玄，但或许它才是宇宙最基本的现象。2004年诺贝尔物理学奖得主弗朗克·韦尔切克（Frank Wilczek）就认为，纠缠现象是普遍存在的现象，并非仅限于量子领域，也并非真的难以理解。他举例说明，假设存在一种规则：一个系统的两个盒子中必须一个包含方形，一个包含圆形，那么在这个规则下，系统中的两个盒子就已经处于“纠缠”状态。如果我们在一个盒子里发现方形，我们也就立刻知道另一个盒子中包含的是圆形，反之亦然。微观世界的量子纠缠的实质与之类似，只不过微观世界受到不确定性原理的制约，人们无法通过测量来得到一个量子系统的全部信息。而量子纠缠现象的发生是因为我们无法获得两个量子系统的完备信息——因此，量子纠缠与例子中的宏观系统的纠缠状态的实质都是缺乏独立性。

实际上，量子纠缠在微观世界中是非常普遍的现象，只有少数微观粒子不处于纠缠态。粒子之间很容易通过相互作用形成纠缠态，粒子对撞，对于一个微观系统进行测量，都会使粒子之间相互纠缠。加拿大英属哥伦比亚大学的理论物理学家马克·范·拉姆斯东克（Mark Van Raamsdonk）从2009年开始思考量子纠缠现象的本质，他认为，量子纠缠现象很有可能是宇宙中比时空更为本质的现象。他结合了美国普林斯顿高等教育研究院的理论物理学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）的理论成果，认为量子纠缠可能恰恰是时间和空间结合的关键。

马尔达西那在1997年研究了两种理想化的宇宙模型，其中一种与真实宇宙相类似，具有三个维度，充满了微观粒子，并且遵守广义相对论；另一种宇宙模型只有两个维度，同样充满了微观粒子，但在其中感受不到引力的作用。马尔达西那通过数学手段证明，这两种看上去区别巨大的宇宙模型在数学上完全等同。拉姆斯东克受到了启发，他利用数学方法研究宇宙模型，逐渐减少宇宙模型中的量子纠缠。他发现，当量子纠缠现象被减少到零时，宇宙中的时间与空间将不再是一个整体。换句话说，理论上，量子纠缠有可能是将宇宙中的空间和时间结合在一起的关键因素。

尽管这种数学上的模拟和理论上的假设尚没有任何真正的物理学实验予以证明，但仅仅是提出这样的构想就已经足以令人心驰。拉姆斯东克认为自己领会到了时空更深刻的本质，但是他还需要进一步的理论证明。美国斯坦福大学的物理学家布莱恩·施温格（Brian Swingle）在麻省理工学院研究凝聚态物理学时，使用一种称为“张量网络”（Tensor Network）的数学方法来预测材料的性能。他随后发现，弦论学家们用来研究黑洞和量子引力的方法与自己的方法非常相似，他意识到其中可能有更为深刻的联系。目前施温格正与拉姆斯东克进行合作，试图利用张量网络手段进一步研究时空和量子纠缠现象的本质。

理论物理学家的武器是数学。利用数学手段，建立各种数学模型，难免出现各种奇妙的预测和假说，其中的大多数自然都难以成立。无论理论物理学家们建立怎样或复杂或完美的模型，最终都必须通过实验的反复验证，才能变为真正的物理学发现，最终成为物理学理论。但是我们也必须承认，理论物理学家们暂时忽略现实意义以及实验过程，提出的种种天马行空般的假说，也能够给人们带来一种奇异的美感，也能大大拓宽我们对于自己所生活的宇宙，以及我们自身的想象。

（本文写作参考了《自然》《科学》和《Quanta Magazine》等杂志的报道）