空間是像素化的？
空間像素 沙丘，是我們最熟悉的自然風景之一。從遠處看，沙丘顯得光滑無褶；但當你接近沙丘并觸摸它時，就會感受到一粒粒的砂石顆粒。數碼圖像也是如此：當你将圖像放到足夠大，就會看見那些構成了圖像的獨特像素。 一些物理學家認為，我們生活的空間也可能不是完全平滑的，而是由非常小的離散單元構成的。許多科學家都在尋找這種像素化，因為它是
量子引力的預測。量子引力是一套包括
弦理論在内的理論，它們試圖統一
廣義相對論和
量子理論。
愛因斯坦的廣義相對論重塑了我們的宇宙觀，它表明空間和時間可以被認為是一個連續的整體，即時空，随物質的變化而彎曲。根據廣義相對論的定義，引力隻不過是時空的曲率。 量子力學則描述了宇宙中除了引力之外的其他三種已知力：電磁力、弱力和強力。量子力學的一個特征是，這些力都可以被量子化為離散的包或粒子。例如，電磁力的量子化産生了一種被稱為光子的粒子。在微觀尺度，光子的幕後工作是傳遞電磁力。雖然在我們習慣的大尺度下，電磁場看上去是連續的，但當将它放大時，就會發現它變得“凹凸不平”。
滑動查看四種基本力。| 圖片來源：原理 那麼，量子引力的核心問題就是：在最小的尺度，時空是否也是一個由粒子組成的“海洋”，還是說它像一汪不破裂的湖面一樣平滑？科學家普遍認為，在最小的尺度上，引力應該是凹凸不平的，這些凸起是一種被稱為
引力子的假想粒子。但是當物理學家用數學工具來描述引力如何從非常微小的引力子中産生時，一切都不成立了。 宇宙的新藍圖 弦理論讓一切變得不同。弦理論描述了一個有着10個維度的宇宙，其中6個維度被隐藏起來了，餘下的4個維度構成了空間和時間。正如它的名字那樣，弦理論假設，在最基本的層面上，宇宙中所有的物質都是由微小的弦組成的。弦的不同振動方式對應着不同的基本粒子，比如電子、光子或引力子。
弦理論認為，所有的基本粒子都是由振動的弦組成的。| 圖片來源：原理 許多科學家都認為弦理論是迄今為止最完整、最有可能的量子引力理論。然而，它所面臨的最大的挑戰之一是如何對它進行驗證。這是因為若想要尋找量子引力的特征，實驗就需要觸及到所謂的
普朗克長度（即10⁻³⁵米）。要探測如此極端的尺度，物理學家必須建造一個同樣極端的探測器——一個太陽系大小的探測器。這不僅造價昂貴，且需要耗費數百年的時間。 驗證量子引力的新思路 為了改變這一現狀，理論物理學教授
Kathryn Zurek組建了一個名為
量子引力及其觀測特征（QuRIOS）的項目，将熟悉量子引力但缺乏實驗設計實踐的弦理論學家，與有實驗經驗但缺乏從事量子引力研究的粒子理論學家和模型建造者，聯合起來。 作為項目的一部分，Zurek将與實驗學家
Rana Adhikari合作開發一個使用桌面儀器的新實驗，被稱為GQuEST。這個實驗能夠探測到的将不是時空像素本身，而是像素之間的聯系，這些聯系可以産生可觀測的特征。 Zurek他們所專注于的量子引力效應，可以在10⁻¹⁸米這樣一個更可控的尺度上觀察到。雖然這個尺度仍然非常小，但在非常精确的實驗室儀器的幫助下，這是有可能實現的。 這樣的桌面實驗将會像L型的LIGO，會在垂直方向上發射兩束激光的幹涉儀。激光被鏡子反射後在原位會合。在LIGO的例子中，引力波拉伸和擠壓空間，影響了激光相遇的時間；而量子引力實驗将尋找一種不同的時空漲落，這種漲落由在所謂的量子泡沫（或時空泡沫）中突然出現或消失的引力子構成。(光子和其他量子粒子也會因為量子漲落而出現或消失。）屆時，研究人員尋找的将不會是單個的引力子，而是存在于這些複雜假想粒子集合間的“長程相關性”，它們能産生可觀測的特征。Zurek解釋說，這些長程的相關性就像時空海洋中更大的漣漪，而不是單個粒子駐留的泡沫。 Zurek等人認為時空漲落可能會幹擾光束。在他們設計的設備中，時空漲落能将一個光子踢出幹涉儀的光束，接着他們就可以用單光子探測器來讀出時空擾動。
一個L型的實驗設備。| 圖片素材參考來源：[1] 湧現的時空 在弦理論中，有一個重要原則被稱為
全息原理，它意味着如引力等三維現象，可以從平坦的二維表面顯現出來。全息原理意味着一個體積中的所有信息都可以被編碼在一個表面上。 更具體地說，引力和時空可被認為是從發生在二維表面的粒子糾纏中産生的。當亞原子粒子跨越空間相互連接時，就會發生糾纏；這些粒子彼此之間沒有直接接觸，但卻可以被視作為一個單獨的整體。受到弦理論啟發的關于量子引力的現代觀點表明，時空和引力是由糾纏的網絡實現的。在這種思維方式下，時空本身變成了由事物糾纏在一起的程度來定義。 在Zurek和Adhikari提出的實驗中，他們的想法是對這個二維表面，或者被他們稱為“
量子視界”的引力子漲落，進行探測。他們解釋說，引力和時空出現在量子視界之外。他們的實驗将測量這個表面的模糊性。 這種模糊性代表了時空的像素化。如果實驗成功，它将有助于從最基本、最深遠的層面重新定義引力和空間的概念。 Adhikari說：“如果我松開咖啡杯它掉落到地上，我願意認為這是因為引力。但是，就像溫度也不是'真實的’，而隻是對一堆分子如何振動的描述一樣，時空可能也不是真實存在的東西。我們看見過成群的鳥和成群的魚進行連貫、一緻的運動，但它們實際上是由一隻隻動物組成的。我們說群體行為是湧現性的。可能是因為我們還不知道時空的核心是什麼，所以時空像素化中産生的某種東西才被稱為引力。”
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創作團隊： 編譯：小雨 設計/排版：雯雯
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參考來源： [2] https://magazine.caltech.edu/post/quantum-gravity
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圖片來源： 封面圖/首圖/插圖：原理
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