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THE ABDICATION OF SPACETIME
放弃时空

唐纳德·霍夫曼(Donald Hoffman)

加州大学埃尔温分校认知科学教授;著有《视觉智能》( Visual Intelligence )。

自从1915年爱因斯坦发表广义相对论以来,空间与时间的本质问题就成为科学界关注的焦点。在这一事件之后,空间与时间从物质的“舞台”变成了科学研究界的“明珠”。1919年,阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)证明,当发生日食时,时空会与其中的物质和光线一起发生变形。这使原本无人问津的时空的本质问题突然成为热门研究,当年11月10日《纽约时报》的头条新闻是《天上的光都歪了》( Lights All Askew in the Heaven )。

时空既能引发人们的思考,也会禁锢想象力。回想一下在夏威夷的假期、新款的汽车、好友的婚礼、乔治·阿姆斯特朗·卡斯特(George Armstrong Custer) 的最后一战,时空都起到了重要甚至必须的作用。试着想象一个四维空间,它的上下、前后、左右,以及一个时间维度。这可能很难在想象中勾勒出来是吗?时空成了想象力的阻碍。再试着想象一个二维的时间,或完全不存在时间的情况,是不是更难了?

1926年诞生了一个天才理论——量子理论。在某些场合,量子理论能够准确地描述时间与空间的关系。两者相结合,催生了粒子物理学标准模型(Standard Model),这一模型描述了电磁力、强相互作用力、弱相互作用力和亚原子粒子。不过,当物质密度太大或距离太近时,标准模型就不再有效,而量子理论就开始起作用了。

1935年,爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和纳森·罗森(Nathan Rosen)发现了一种现象,根据量子理论,粒子的量子状态会立即改变与其纠缠的另一个粒子的状态,无论这两个粒子的距离相隔多远。纠缠的量子不可能以比光速还快的速度传递信息,而量子理论无视时空的存在,这深深地困扰着爱因斯坦。

弦理论促使时间与空间彻底地分离开来。诺贝尔奖获得者戴维·格罗斯(David Gross)发现:“支持弦理论的人都相信时空注定会终结,但没有人知道它会被什么取代。”“菲尔兹奖”获得者爱德华·威滕(Edward Witten)也这样认为。普林斯顿大学高等研究院的纳森·塞伯格(Nathan Seiberg)曾说:“我几乎可以肯定,时空只是一种幻觉。这些原始概念将会被更复杂的概念取代。”

好消息是,复杂的替代者可能即将出现。一个可能的继任者是纠缠的量子本身。布赖恩·斯温格尔(Brian Swingle)和马克·范·拉姆斯顿克(Mark Van Raamsdonk)发现,遵从爱因斯坦广义相对论的扭曲时空可以在纠缠的量子点的张量网络中产生。在这种情况下,纠缠的量子并非不受时空的干扰,而在某种程度上是容纳时空的载体。

另一个可能的替代者是时空之外的另一种几何结构,其中最具代表性的是尼马·阿尔卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)和雅罗斯拉夫·特尔恩卡(Jaroslav Trnka)发现的“amplituhedron”模型。数十年以来,物理学家一直在用一些公式来计算,亚原子粒子以多种方式发生碰撞,然后散开的各种概率。这些公式假设物理过程限于时空内。然而实际情况是,这些公式不仅过于复杂,还忽略了物质的高度对称性。不过,amplituhedron模型简化了这些公式,引入了对称性,并在计算过程中放弃了时空必须作为基础这一假设。

如果时空不是基础,那什么才是呢?目前还无人知晓。最有可能的是量子信息,即量子点和量子门。不过,量子信息十分抽象,因为它不是包含于时空中的。在某种程度上,时空和物质来源于量子信息的非时间和非空间状态,正如约翰·惠勒(John Wheeler)所说:“来源于点。”然而,这会带来另一个问题:为什么量子信息、量子或其他因素应该成为现实的基础?量子信息如何才能成为基础呢?

虽然现在就宣告时空会终结的结论也许为时尚早,甚至还有些夸张,但无论如何,这个话题在长时间内一直会是一则重要新闻。无论时空是不是基础,其论证过程都将改变我们对现实世界的理解,也许还会改变我们对人类自身的想象。

我认为,时空会终结的观点并不夸张。不过,这可能会为认知心理学的研究人员带来新的难题。如果真像塞伯格所说,时空只是一种幻觉,终将会被其他概念取代,那为什么我们的感官系统要进化成以时空的形式来认知世界呢?这种认知形式偏好哪种选择,具有哪些适应性优势?

认知心理学的通用假设是,进化更偏好真实知觉。这种知觉能准确地描述关键的环境要素。“人类的认知是基于非真实的、虚幻的时空形式”这类假设并不多见。如果时空是一种幻觉,认知领域将会发生什么变化?物理上的因果关系又将会发生什么变化?这些变化是否会影响我们对于意识/身体的理解,即我们的认知经验是如何与身体,尤其是大脑活动相关联的?

这一问题意义重大。一个世纪以前,时空探索大门的打开是头条新闻,而如今时空的结局同样引人关注。 muuJPhyo09u2EF647JlPOz8RrUHaHIrRopqVo0JcBs6bX29N2XpL2Wj0H28JC5ff

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