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时空来源未解之谜物理学对时空起源的探索

查看:797 / 更新:2022-04-11 12:17

  “所有的经验都告诉我们,我们对现实不该有两种显著不同的构想,它必然是一个庞大的包含所有的理论。”美国宾夕法尼亚大学物理学家阿贝·阿什特卡说。

  找到一个庞大的理论是一项艰巨挑战。为此,《自然》杂志探索了现代几种较有前途的前进路线——一些新兴的观点以及对它们的检验。

  热力学万有引力

  人们可能会问的一个最明显的问题是,这种努力是否徒劳?是否真的有某种东西比时空更基本?证据何在?一个令人兴奋的线索来自上个世纪70年代早期取得的一系列不寻常的发现。当时,量子力学和万有引力与热动力学开始紧密结合在一起,这一趋势日益明显。

  1974年,英国剑桥大学的斯蒂芬·霍金证明,黑洞周围空间存在着量子效应,这使得黑洞向外发出辐射,就好像它很热一样。其他物理学家也很快得出结论,这种现象在宇宙中其实相当普遍。即使在真空里,正在加速的宇航员会感到他自己像是被包围在热水浴中。虽然对目前火箭可达到的加速而言,这种效应太微弱了而无法被觉察到,但这或许是个基本原理。如果量子理论和广义相对论是正确的——这二者都已被众多实验所证实——那霍金辐射的存在似乎是理所当然。

  第二个重要发现也与此密切相关。根据标准热力学理论,一个物体要辐射出热量必须降低熵值,这也是检测其内部量子状态的一种数量方法。所以黑洞也是如此:甚至早在霍金1974年发表其论文之前,现在以色列耶路撒冷希伯来大学任职的雅各布·贝肯斯坦就曾证明了黑洞拥有熵值。但二者之间还是有差异的。对于大部分物体来说,它们的熵与物体所含原子数目成比例,也就是和体积成比例;但黑洞的熵却与其事件视界的表面积成比例。事件视界是光无法逃逸的界限,这就好像黑洞的表面是其内部信息的某种编码,正像以二维全息编码的形式来表现三维图像那样。

  1995年,美国马里兰大学物理学家泰德·雅各布森将二者的发现结合起来提出一种假设:空间中的每个点上都有一个微小的“黑洞视界”,并服从熵与面积关系。结果他发现,这样在数学上就变成了爱因斯坦的广义相对论方程——只用了热力学概念,而没有用时空弯曲理论。

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