宇宙不是连续的？他要用低成本实验，颠覆时空观念时空是连续的

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时空|观念|连续|低成本---傻大方小编总结的关键词

时空是连续的，这是21世纪物理学界的共识。但也有物理学家对此提出质疑——芝加哥城边进行的一项实验正尝试监测信息、物质和时空之间的内在联系。如若成功，这个实验将动摇当前的时间和空间理念，开启新的物理理论时代。

撰文 | 迈克尔·莫耶（Micheal Moyer）

翻译 | 庞玮

克雷格·霍甘（Craig Hogan）认为，我们生活在一个模糊的世界。这可不是什么比喻，而是颇为严肃的科学观点。在身为美国芝加哥大学物理学家、费米实验室粒子天体物理学中心主任的霍甘看来，如果我们深入最微小的空间与时间结构，杂乱无章的沙沙声充斥着整个宇宙，就像收音机里的静电干扰声一样。此前，物理学家也有过类似描述，认为时空的底层充斥着不断产生和湮灭的粒子，或是其他浮浮沉沉的量子泡沫。但霍甘所说的“噪声”并非由此而来，而是来自空间的断裂和破碎。长期以来，我们一直认为空间是光滑而连续的，就像玻璃一样，是各种粒子和场的表演舞台，但霍甘认为，空间是一种沙聚成石、石垒成山的结构，更准确地说，霍甘所说的“沙沙作响的空间”是一个不连续的数字化空间。

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克雷格·霍甘是费米实验室粒子天体物理中心主任

一个秋高气爽的下午，霍甘带我去看他搭建的、用来探测这些沙沙声的机器。只见一座亮蓝色的小屋坐落在费米实验室园区内黄褐色的草坪中，看上去似乎是这家已有45年历史的机构中唯一的新建筑，一根拳头粗细的管子从小屋延伸出40米，钻进一个与管道垂直的、长长的舱室中，这个舱室此前的“主人”是一台粒子发生器，数十年如一日地从这里向南边的明尼苏达发射亚原子粒子，现在则被霍甘的全息干涉仪（Holometer）占据，用以放大来自空间碎片的沙沙声。

霍甘拾起一块粗大的铺路石，把它当作粉笔，在小屋天蓝色的墙壁上写写画画，向我即兴讲解，如何用几束曲折穿行于管道的激光，来放大微如毫末的空间结构。他先向我解释了，20世纪最成功的两大物理理论——量子力学和广义相对论为何无法取得一致。在最小的空间尺度上，这两个理论都会变得毫无意义，但这个尺度似乎另有特殊之处，它刚好与信息科学（science of information）——即由“0”和“1”构成的世界——有内在联系。过去数十年里，对于宇宙如何存储信息，物理学家已有了很深入的认识，他们甚至开始推测，宇宙物质最基本的组成单元是信息，而非物质和能量。信息依赖于微小的比特，而正是这些比特构成了宇宙。

霍甘说，如果严格按照这个思路，我们就能找到监测空间数字化噪声的办法。因此，他设计了一个实验方案，用来探测宇宙最基本尺度上的数字噪声。或许，他会是第一个告诉你，这个方法不可行的科学家——因为他可能什么也没看见。霍甘进行的是最贴近 “实验”本意的尝试，是对未知领域的一次探索。“你没法用目前已确立的时空理论和量子力学来预测将会得到什么结果，”霍甘说，“但对我而言，这正是该实验的意义所在——走进一片未知领域，看看里面有什么。”

不过，如果真的观察到时空的“跳动”，又会如何？我们的空间和时间观念必将为之颠覆。“物理学将伤筋动骨，”霍甘说。

久违的基础实验

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在粒子物理学领域，针对如此基本模型所展开的实验已经多年未见了。上世纪60年代末到70年代初，物理学家曾用一系列理论和基本原理，构筑起了所谓粒子物理标准模型（standard model），而在此后几十年间，则利用越来越深入、越来越精准的实验，不断检验该模型。霍甘解释说：“这类研究模式是，理论界首先提出一些想法，比如希格斯玻色子（Higgs boson），发展出一个模型，而这个模型会作出一些预言。然后，科学家会通过实验来验证这些预言，判定模型的成败。”简而言之，先有理论，后有实验。

这种传统研究模式背后的原因是，粒子物理学实验大都花费不菲，例如欧洲核子研究中心（CERN）在日内瓦附近建造的大型强子对撞机（LHC），总共花费了50亿美元左右，而且全球有数千名科学家在为这台人类史上最庞大、最复杂也是最精密的仪器工作。科学家已经在担心，如果下一代粒子对撞机继续追求更高的能级、更大的规模，势必花费更大，公众可能会对此说“不”。

LHC上的一个普通实验，可能就需要3 000多名研究者参与，而在费米实验室，霍甘的团队只有20人左右，而且部分成员还不是全职参与实验，比如来自麻省理工学院和密歇根大学的高级顾问。霍甘本人是一个理论物理学家，对各种各样的真空泵和固体激光器也摸不着头脑，所以他又找到亚伦·周（Aaron Chou），共同主持这个研究项目。亚伦·周是一名实验物理学家，霍甘提出实验计划时，他刚好来到费米实验室。2011年，他们获得了200万美元的资金，这笔钱要是用在LHC上，只够买一块超导磁铁和几杯咖啡，而在这里，则能支撑起整个研究项目来。“如果常规技术就够用了，我们绝不动用高科技设备。”霍甘说。

霍甘和他的研究小组正在离办公室约1千米的地方建造全息干涉仪。实验中，激光束被射向40米长的真空管道（上图）。其中一套管道放置在此前用于发射粒子束的舱室中，另一套管道直接在露天铺设，延伸到一间蓝色的小屋内（中图），屋内装有反射镜和聚焦透镜组。高精度光学设备（下图）用来聚焦和引导光线。

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该实验的成本之所以很低，是因为从本质上来看，它是19世纪一个著名实验的“升级版”——当年，这个实验曾颠覆了人们对存在基础的认识。19世纪初，物理学家认识到光有波动性，而那时，波已为科学家所熟知，从湖面上的涟漪到空气中的声波，所有的波动看上去都有一些共同的基本属性，比如波的传播需要介质（medium），就像雕塑需要泥巴一样，这些由实体物质（physical substrate）构成的介质，让波得以在其中传播。既然光也是一种波，那它同样需要传播介质，而且是一种充满整个宇宙的透明物质。当时的科学家将这种不可见的光介质称为以太（ether，以太原意为上层的空气，指在天上的神所呼吸的空气，在宇宙学中，以太用来表示占据天体空间的物质）。

1887年，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）设计了一个实验来寻找以太。他们建造了一台干涉仪（interferometer），这种带有两条L形光臂的仪器很适合用于测量微小变化。来自同一光源的两束光，将沿着两条光臂照射到光臂末端的镜子，再被反射回来，重新交汇于出发点。只要光通过两条光臂的时间相差约1毫秒（0.001秒），重新交汇而成的光线就会比发射时暗。迈克尔逊和莫雷构建好干涉仪后，又花了几个月时间监测光线的变化。由于地球会围绕太阳运转，地球所处的位置不同，干涉仪的两条光臂会分别与地球运动方向平行和垂直，而静止的以太只会改变光束通过垂直光臂的时间，因此只要能测量出光通过两条光臂的微小时间差，就相当于找到了以太。

当然，他们最后什么也没发现，历经数百年形成的宇宙观开始崩塌。如同燎原星火，以太概念的清除，为新观念的出现扫清了道路。没有作为介质的以太，光的传输速度就不依赖于参考系，无论你以什么状态运动都会测量出一样的光速。10多年之后，爱因斯坦就发现了这一点，提出了著名的相对论（theories of relativity）。

霍甘的干涉仪也和迈克尔逊干涉仪类似，搜寻的是类似以太的时空背景——一种不可见（可能仅是一种想象）的、充满整个宇宙的物质。他将两台迈克尔逊干涉仪叠加起来，试图探测宇宙中最为微小的尺度：普朗克尺度（Planck scale）。在这个尺度上，量子力学和相对论都将失效，只有信息以比特形式存在其中。

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信息构成的宇宙

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普朗克尺度不仅小，而且是最小的尺度。如果你把一个粒子放进一个1普朗克尺度见方的盒子里，根据广义相对论（general relativity），这个粒子的重量将超过同样大小的黑洞，但同时，量子力学预言，任何小于普朗克尺度的黑洞所携带的能量，都小于单个能量子（quantum of energy，量子力学中能量的最小单位），这是不可能的。显然，在普朗克尺度上，物理学出现了悖论。

在普朗克尺度下，不止量子力学和相对论无法相容。近10多年来，有关黑洞本质的争论，让科学家对普朗克尺度有了全新的理解。尽管普朗克尺度“终结”了两个最好的物理学理论，但也出现了一些新的见解：如果宇宙的本质是信息，那按照这种思路，信息的基本单位比特，就应该寄身于普朗克尺度之中。

“所谓信息，是指事物之间的区别，”美国斯坦福大学的物理学家伦纳德 · 萨斯坎德（Leonard Susskind，弦论的奠基人之一）在纽约大学所作的一场报告中作出了如此解释，“区别本身永远不会消失，这是物理学的一个非常根本的假设。区别会被扰乱，会被混淆，但永远不会泯灭不见。”就算你手中的这本杂志在造纸厂被打成纸浆，原则上杂志内的所有信息仍能被识别出来，而不会烟消云散，因为从理论上来说，所有破坏过程都是可逆的，纸浆能被重新恢复成一页页的图像和文字——虽然现实中这无法做到，但理论上是存在这种可能的。

物理学家一直都对此假设表示认同，除了某些特殊情况，比如黑洞。假设这本杂志被扔进黑洞，杂志上的信息还存在么？毕竟没有任何东西能从黑洞中逃逸，而黑洞在吞食这本杂志前后几乎没有任何不同，最多不过重了几克而已。虽然在1975年，霍金曾指出，黑洞会向外辐射物质和能量（现在我们称之为霍金辐射），但这种辐射似乎没有任何结构，只是宇宙中一声微弱的嘶鸣，霍金因此认为黑洞可以抹除信息。

乱说——这是一些同行对霍金的回应，其中就包括苏士侃和杰拉德·特霍夫特（Gerard't Hooft），后者是荷兰乌特勒支大学的物理学家、1999年诺贝尔物理学奖得主。苏士侃解释了为何他们会持反对意见：“只要信息这个概念缺失那么一丁点，我们所知所有事物的整体结构顿时就会土崩瓦解。”

但霍金的理论没那么容易驳倒，于是在接下来的20多年里，物理学家发展出一个能弥合两种观点的理论。这个名为全息原理（holographic principle）的理论认为，当一个物体落入黑洞时，物体本身可能会被消灭，但它所包含的信息却能通过黑洞表面的变化被拓印下来，只要利用合适的手段，理论上你就能从黑洞中复原被吞噬的杂志，就像从纸浆复原杂志一样。标志着有去无回的黑洞事界（even horizon）同时还起到了拓片的作用，信息从未消失。

信息守恒原理不只是一种处理信息的技巧，它还暗示着，我们所处的世界虽然看上去是三维的，但其中包含的信息都储存在一个二维表面上。而且在信息守恒原理中，一个给定表面所能存储的信息也有一个上限：如果你把一个表面划分成若干方格，类似一个棋盘，每个方格都是正方形，边长为两个普朗克长度，那么这个表面所能存储的信息量，不应该超过表面上的方格数目。

1999年和2000年，现供职于美国加利福尼亚大学伯克利分校的拉斐尔·布索（Raphael Bousso）曾发表过一系列文章，展示了如何将全息理论从围绕黑洞的简单表面扩展到更复杂的情况。他设想了一个物体，被闪光灯包围着，如果在黑暗中，闪光灯同步闪光，那么闪光灯发出的、照向物体的光线就构成了一个表面——一个以光速向物体塌缩的“光泡”。正是在这个“光泡”的二维表面（被称为光片，light sheet）上，存储了与你（或一个流感病毒、一颗超新星）有关的所有信息。

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依据全息原理，光片作用可不小。光片含有所有组成自身的粒子的位置信息——每个电子、夸克和中微子，还有作用在粒子上的每个力都记录在案。看上去，光片就像电影胶片，其实不然，电影胶片只是被动记录外部世界发生的所有事件，但光片先于事件出现，它将存储在自身表面的信息投影到外部世界，进而创造出我们眼前的一切。在对全息原理的某些表述中，光片不仅产生了所有的力和粒子，甚至还是时空（spacetime）结构本身的“创造者”。特霍夫特的学生、普林斯顿大学的物理学家埃尔曼·韦尔兰德（Herman Verlinde）说：“我认为，时空是‘涌现’出来的，来自一团由‘0’和‘1’构成的信息。”

这里存在一个问题：尽管大多数物理学家都认为全息理论是正确的，即物体表面上存储着有关这个世界的所有信息，但对于信息如何编码，他们并不知道，也不知道自然界如何处理这些二进制信息，以及处理结果如何产生我们见到的世界。物理学家推测，整个宇宙就像一台电脑，利用存储信息构建出我们所感受到的物理实在，但宇宙这台“电脑”的内部结构和运行方式，仍是一个“黑盒子”。

物理学家之所以对全息原理的出现感到兴奋，并花费10多年时间发展这个理论，真正原因不是为了告诉霍金他是错误的，而是因为该理论揭示了存在于信息、物质和引力之间的一种深层联系。最终，全息原理将告诉我们，如何调和量子力学和广义相对论这两个20世纪最成功、却又一直不相容的物理理论。布索说，“全息原理将是通往量子引力理论（quantum gravity）的‘路标’”，而这个理论将革新我们对世界的现有认识。为了最终建立这个理论，“我们可能还需要更多这样的路标”。

比特世界

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为了拨开重重迷雾，霍甘启程了。没有万物理论（Grand Theory of Everything）助阵，他只带着简单的全息干涉仪。但霍甘并不需要什么万物理论，因为他无须回答所有难题，只须回答一个最基本的问题：宇宙是不是一个“比特世界”？只要做到这点，他就找到了一个路标，一个指向数字化宇宙（digital universe）的巨大箭头，给物理学家指出前进的方向。

按照霍甘的说法，在一个比特世界中，空间本身是量子化的——在普朗克尺度上，空间是从离散的、量子化的比特中涌现出来。而且，如果空间确实是量子化的，那它必然拥有量子力学中的那种与生俱来的不确定性。这样的空间不会是一个静止、光滑的宇宙背景，相反，因为量子涨落（fluctuation），空间会充斥着“毛刺”，不停振动，使周围的世界也发生改变。美国得克萨斯农工大学的天文学家尼古拉斯·B·桑泽夫（Nicholas B. Suntzeff）说：“传统观念中，宇宙中充满着透明的、水晶般的以太，而数字化宇宙在非常微小的尺度上，则是泡沫状的量子涨落，它极大地改变了宇宙的构成。”

确认宇宙是否数字化的策略就是，深入到微小尺度上，去检测时空泡沫是否存在。这样，我们再次与普朗克长度相遇。霍甘的全息干涉仪正是逼近普朗克长度的一次尝试——如果用传统实验方法（如粒子加速器）来测量这么微小的长度单位，可能要建造银河系那么大的仪器才能实现。

当年，迈克尔逊和莫雷为了寻找并不存在的以太，曾用干涉仪，通过比较两束光线传过一定距离时，检测地球公转会不会使光线在传播速度上出现微小变化。在实验中，传输距离能起到放大信号的作用。霍甘的干涉仪也是如此，他采用的策略是，深入到普朗克尺度上，去测量由量子化跳动引起的累积误差（accumulated error）。

亚伦·周以电视为例，对上述方案进行了解释：“远看电视或电脑屏幕，图像都显得平滑细致，但如果凑近去看，就会看到像素点。”时空亦是如此，在我们常见的尺度上，比如人体、建筑、甚至显微镜下，空间都显得光滑、连续，我们从未见过，一辆汽车在街上像定格动画一样不连续地向前跳跃。

但在霍甘的全息世界中，汽车是跳跃前进的，因为空间本身不连续，用术语来说就是“量子化”的。不连续的时空是从一个我们还不了解的、更深层的量子系统中涌现出来。“我其实耍了个小手段，因为这个涌现过程没有任何理论依据，”霍甘笑言，“但这只是第一步，我可以对那些引力理论专家说，‘下面的事情你们来搞定。’”

在构造上，霍甘的全息干涉仪与迈克尔逊和莫雷的非常类似。如果迈克尔逊和莫雷也有微电子设备和两瓦特的激光器，他们差不多也能制造出霍甘的全息干涉仪。在这台设备中，先是一束激光照射到分束器（splitter）上，分成两束，这两束激光再分别沿着两条呈L形的、长40米的光臂射出。在光臂末端，激光束遇到小镜子后，会沿原路反射回分束器，最后在分束器中重新混合。只不过，霍甘要测量的不是地球在以太中穿行的速度，而是空间的量子涨落所造成的光束传播距离的微小变化。如果在普朗克尺度下，时空的确像翻滚的海面一样涨落不休，分束器就是在汹涌的泡沫中穿行的小舟，当光束沿着光臂来回一趟，分束器在这一瞬间因为“摇晃”可能刚好产生一个在探测范围之内的普朗克长度量级的位移。

当然，很多原因都会让分束器“摇晃”上几个普朗克长度，比如屋外汽车引擎的震动，或是吹在墙壁上的强风。

这些扰动让守着另一台干涉仪的科学家饱受折磨。这台名为激光干涉引力波探测器（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）的装置由两台孪生干涉仪组成，一台在加利福尼亚州洛杉矶的利文斯顿，另一台在华盛顿州的汉福德。这两台巨型仪器是用来探测引力波的，引力波是时空的涟漪，像中子星碰撞这样的宇宙巨变，往往能产生很强的引力波。但不幸的是，引力波导致的空间振动与周围一些其他来源的振动处于相同频段，路过的卡车或附近倒下的树木都会引起仪器振动，因此整个仪器必须完全隔绝这类噪声与振动（美国在汉福德实验室附近建造风力发电厂的计划让物理学家惊慌失措，因为仅是来自风车叶片的振动就足以让探测器淹没在噪声之中）。

霍甘要探测的振动的频率要快得多，分束器每秒估计会来回振动100万次，因此不会受到上述来源的干扰。唯一要担心的是，附近调幅广播电台在相近频段发射的信号。“不会有东西在这个频率上运动，”芝加哥大学的物理学家斯蒂芬·迈耶（Stephen Meyer）说，他主要的工作就是利用全息干涉仪开展研究。“如果我们发现了这个频率的振动，肯定就是我们要找的信号”，这说明量子化跳动真实存在。

在粒子物理学领域，确切的证据通常很难得到。“从某种意义上说，我们走的是老路子，”霍甘说，“它来自过去物理学的研究方法，即‘让我们直接去看看自然界是如何运作的，不带任何先入为主的偏见。’”为了说明这一点，他讲到了相对论和量子力学各自的源起方式。爱因斯坦坐在书桌边发明了广义相对论，并从一些基本原理出发，得到了该理论的数学结构。相对论诞生时，基本没有解释任何实验现象——验证相对论的首个实验也在多年后才出现。量子力学则不同，它是理论物理学家根据一些令人困惑的实验结果提出来的（用霍甘的话说，“如果不是为实验数据所逼，没有任何循规蹈矩的理论物理学家能发明量子力学”），不过这并不妨碍量子力学成为科学史上最成功的理论之一。

同样，虽然理论物理学家多年来一直在构建各种如弦论那样美妙的模型，但直到现在仍不清楚这些模型究竟能否通过实验验证。在霍甘看来，他建造全息干涉仪的目的，正是为了产生一些奇怪的数据，由未来的理论物理学家来解释。“物理学已经停滞很长时间了，”他总结道，“怎么才能推上一把？有时候就差一个实验。”