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来源：scientificamerican
撰文：Adam Becker
翻译：任天


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大爆炸的“回声”可能还残留在如今的天空中 ， 验证量子引力的最好办法可能是通过宇宙学观测
时空可能来自一个更基本的现实 。 只有弄清楚时空如何出现 ， 才能解开物理学中最紧迫的难题——量子引力理论 。
娜塔莉·帕奎特是美国华盛顿大学的理论物理学家 ， 她一直在思考一个问题：如何增加一个额外的维度 。 从分散在空间和时间每一个点上的小圆圈开始 ， 这些圆圈可以视为一个绕回自身的旋曲形维度；然后 ， 把这些圆圈缩小 ， 越来越小 ， 越来越紧 ， 直到发生一场奇怪的转变：这个维度不再看起来很小 ， 而是变得巨大 ， 就如你发现某个看起来很小且很近的东西 ， 实际上不仅巨大而且遥远 。 “我们正在使一个空间方向缩小 ， ”怕奎特说 ， “但当我们试图把它缩小到某个特定的点时 ， 一个新的、大的空间方向就出现了 。 ”
【科学好故事|时空究竟是由什么构成的？】帕奎特并不是唯一思考这种奇怪维度嬗变的人 。 在物理学的不同领域 ， 越来越多的物理学家尽管研究方法不同 ， 但都逐渐认同一个深刻的想法：空间 ， 甚至时间 ， 都不是基本的事物 。 相反 ， 空间和时间可能是从更基本的自然组分的结构和行为中“涌现”出来的 。 在现实的最深处 ， 诸如“何处？”“何时？”这样的问题可能根本就没有答案 。 我们从物理学中得到了很多暗示 ， 我们所理解的时空并不是基本的事物 。
这些激进的观点来自于量子引力理论研究的最新进展 。 一个多世纪以来 ， 物理学家们一直在寻找最佳的量子引力理论 。 目前最具有说服力的引力理论是广义相对论 ， 由阿尔伯特·爱因斯坦提出 ， 阐述了物质如何扭曲空间和时间 。 另一种解释万物的理论是量子物理学 ， 当涉及到物质、能量和亚原子粒子的性质时 ， 量子物理学惊人地精确 。 这两种理论都轻松通过了物理学家们在上个世纪所能设计的所有测试 。 有人可能会想 ， 把二者放在一起 ， 就能获得所谓的“万有理论” 。
然而 ， 这两种理论并不相容 。 如果你想知道在量子力学的背景下应用广义相对论会发生什么 ， 就会得到矛盾的答案 ， 你的计算中会出现难以驾驭的无穷数 。 大自然知道如何将引力应用于量子环境中 ， 包括大爆炸的最初时刻 ， 也包括黑洞的中心 ， 但我们仍在努力理解这一过程是如何实现的 。 部分问题在于这两种理论处理空间和时间的方式 ， 量子力学认为空间和时间是不可变的 ， 而广义相对论则将它们随意扭曲 。
某种程度上 ， 量子引力理论需要调和这些关于空间和时间的不同观点 。 要做到这一点 ， 一种方法是让空间和时间从更基本的事物中产生 ， 从源头——时空本身——上解决这个问题 。 近年来 ， 几个不同方向的研究都表明 ， 在现实的最深层 ， 空间和时间并不以我们日常世界中的方式存在 。 过去十年中 ， 这些观点从根本上改变了物理学家对黑洞的看法 。 现在 ， 研究人员正利用这些概念来阐明一些更奇特事物的原理 ， 比如虫洞——相距遥远的时空点之间如隧道般的假想连接 。 这些成功使取得更大突破的希望继续存在 。 如果时空是涌现的 ， 那么弄清楚它从何而来——以及它如何从其他任何事物中产生——或许就能为我们最终打开万有理论的大门 。