人们总是认为空间是理所当然的。毕竟，它只是一个空无一物的背景。同样，时间也只是不停地滴答。但是，如果说物理学家们从统一他们的理论的长期努力中学到了什么的话，那就是空间和时间构成了一个极其复杂的系统，它可能会挑战我们最热切的努力去理解它。阿尔伯特·爱因斯坦早在年11月就预见到了这一切。他提出了广义相对论，该理论假定引力不是在空间中传播的力，而是时空本身的一个特征。当你把一个球抛向高空时，它会回弹到地面，因为地球扭曲了它周围的时空，所以球和地面的路径再次相交。在给朋友的一封信中，爱因斯坦考虑了将广义相对论与他的另一个想法——量子力学的新兴理论——结合起来所面临的挑战。这不仅会扭曲空间，还会破坏它。数学上，他几乎不知道从哪里开始。“我已经用这种方法折磨自己多少次了！”他写道。爱因斯坦从未走远。即使在今天，对引力量子理论的争论也几乎和科学家们对这个话题的争论一样多。这些争论掩盖了一个重要的事实：相互竞争的方法都说空间源自更深层次的东西——一个打破了年科学和哲学理解的想法。进入黑洞一块厨房磁铁巧妙地说明了物理学家面临的问题。它可以抓住一个回形针对抗整个地球的重力。重力比磁力、电力或核力都弱。无论它有什么量子效应，它都更弱。这些过程发生的唯一切实证据是宇宙早期物质的斑驳模式，人们认为这在一定程度上是由引力场的量子涨落造成的。黑洞是量子引力的最佳测试案例。马里兰大学帕克分校的泰德·雅各布森说：“这是我们所拥有的最接近实验的东西。”他和其他理论家把黑洞作为理论支点来研究。当你把在实验室条件下运行良好的方程推到最极端的情况时会发生什么？会不会有什么细微的瑕疵显露出来？广义相对论预测，落入黑洞的物质在接近中心时，会受到无限制的压缩——这是一个数学上的死胡同，被称为奇点。理论家们不能推断出一个物体超越奇异点的轨迹；它的时间线到此为止。即使是说“那里”也是有问题的，因为定义奇点位置的时空本身已经不存在了。研究人员希望量子理论能将显微镜聚焦在这一点上，并追踪掉进去的物质会变成什么。在黑洞的边界外，物质没有被压缩得那么紧，引力更弱，而且，根据所有的权利，已知的物理定律应该仍然成立。因此，更令人困惑的是，他们没有这样做。黑洞的边界是一个视界，一个没有返回点：落入黑洞的物质无法返回。下降是不可逆的。这是一个问题，因为所有已知的基本物理定律，包括人们普遍理解的量子力学定律，都是可逆的。至少在原则上，你应该能够逆转所有粒子的运动并恢复你所拥有的。19世纪末，物理学家们面临着一个非常类似的难题，当时他们在思考一个“黑体”的数学问题，这个“黑体”被理想化地认为是一个充满电磁辐射的腔体。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁学理论预言，这样一个物体会吸收所有撞击它的辐射，它永远不会与周围的物质达到平衡。安大略圆周理论物理研究所的拉斐尔·索尔金解释说：“它会从一个保持在固定温度的热源中吸收无限多的热量。”从热的角度来看，它的温度实际上是绝对零度。这一结论与现实生活中观察到的黑体(如烤箱)相矛盾。根据马克斯·普朗克的研究成果，爱因斯坦证明，如果辐射能量以离散单位(或量子)形式存在，那么一个黑体可以达到热平衡。近半个世纪以来，理论物理学家一直在努力实现对黑洞的等效分辨率。上世纪70年代中期，已故剑桥大学教授斯蒂芬霍金迈出了一大步，他将量子理论应用于黑洞周围的辐射场，并证明黑洞的温度不为零。因此，它们不仅能吸收而且能释放能量。尽管他的分析把黑洞纳入了热力学的范畴，但它加深了不可逆性的问题。出射的辐射刚好从洞的边界外发出，没有携带关于洞内的任何信息。它是随机的热能。如果你把这个过程反过来，把能量放回去，掉进去的东西就不会弹出来；你只会得到更多的热量。你无法想象原来的物质还在那里，只是被困在洞里，因为随着洞发出辐射，它会收缩，根据霍金的分析，最终会消失。这个问题被称为“信息悖论”，因为黑洞破坏了有关正在下落的粒子的信息，而这些粒子可以让你倒带它们的运动。如果黑洞物理真的是可逆的，那么一定有什么东西把信息带回来了，我们对时空的概念可能需要改变才能实现这一点。原子的时空热是微观部分(如气体分子)的随机运动。因为黑洞可以升温也可以降温，所以它们有部分——或者更普遍地说，有一个微观结构——是理所当然的。而且，由于黑洞只是一个空的空间(根据广义相对论，正在下落的物质穿过视界，但不能逗留)，黑洞的部分必须是空间本身的部分。就像一片空旷的空间看起来那么简单，它却有着巨大的潜在复杂性。即使是那些试图保留传统时空概念的理论，最终也得出结论，在平淡无奇的表象背后潜藏着某种东西。例如，上世纪70年代末，现任职于得克萨斯大学奥斯汀分校的史蒂文温伯格(StevenWeinberg)曾试图用与自然界其他力量大致相同的方式来描述引力。他仍然发现时空在最细微的尺度上发生了根本的改变。物理学家最初把微观空间想象成小块空间的马赛克。如果你放大到普朗克尺度，一个10-35米的小得令人难以置信的尺寸，他们认为你会看到类似棋盘的东西。但这并不完全正确。首先，棋盘空间的网格线将优先于某些方向，从而产生与狭义相对论相矛盾的不对称。例如，不同颜色的光可能以不同的速度传播——就像在玻璃棱镜中，它把光折射成它的组成颜色。虽然在小尺度上的影响通常是很难看到的，但违反相对论实际上是相当明显的。黑洞的热力学进一步质疑把空间描绘成一个简单的马赛克。通过测量任何系统的热行为，你可以计算出它的部分，至少在原则上是这样。注入能量，观察温度计。如果它迅速上升，能量必须分散到相对较少的分子上。实际上，你是在测量系统的熵，熵代表了系统的微观复杂性。如果你对一种普通物质做这个练习，分子的数量会随着物质的体积而增加。这是应该的：如果你把一个沙滩球的半径增加10倍，你将会有倍的分子在里面。但是如果你把一个黑洞的半径增加10倍，那么推断出的分子数只增加倍。组成它的“分子”的数量必须与它的表面积而不是体积成正比。黑洞可能看起来是三维的，但它的行为却像二维的。这种奇怪的效果被称为全息原理，因为它让人想起全息图，全息图把自己呈现给我们一个三维物体。然而，仔细一看，这竟然是一张二维胶片拍摄的图像。如果全息原理像物理学家普遍接受的那样，计算空间的微观成分及其内容，那么建造空间所需要的就不仅仅是拼接空间的小碎片。无论如何，部分与整体的关系很少如此直接。H2O分子不仅仅是一小块水。想想液态水的作用：它流动、形成水滴、携带涟漪和波浪、冻结和沸腾。一个单独的H2O分子没有做到这些：这些是集体行为。同样，空间的构建块不需要是空间的。“空间的原子不是空间中最小的部分，”德国波茨坦马普引力物理研究所的DanieleOriti说。“它们是空间的组成部分。空间的几何性质是由许多这样的原子组成的系统的新的、集体的、近似的性质。”这些构建块到底是什么取决于理论。在环量子引力中，它们是应用量子原理聚合的体积量子。在弦理论中，它们是类似于生活在表面的电磁场，由一根移动的能量链或能量环(同名的弦)追踪而出。在m理论中，它们是一种特殊的粒子：膜收缩到一个点。在因果集理论中，它们是由因果网络联系起来的事件。在振幅面体理论和其他一些方法中，根本没有构建块——至少在任何传统意义上没有。尽管这些理论的组织原则各不相同，但都努力维护17世纪和18世纪德国哲学家戈特弗里德·莱布尼茨所谓的关系主义的某些版本。从广义上讲，关系主义认为空间产生于物体之间的某种关联模式。在这个观点中，空间是一个拼图游戏。你从一堆碎片开始，看看它们是如何连接起来的，然后把它们按顺序排列。如果两个物体有相似的属性，比如颜色，它们很可能在附近;如果它们有很大的不同，你试着把它们分开。物理学家通常将这些关系表示为具有某种连接模式的网络。这些关系是由量子理论或其他原理决定的，空间排列也遵循这些原理。相变是另一个常见的主题。如果空间被组装，它也可能被拆卸;然后它的积木可以组织成看起来一点也不像空间的东西。印度大学间天文和天体物理中心的ThanuPadmanabhan说:“就像物质的不同阶段一样，比如冰、水和水蒸气，空间中的原子也可以在不同的阶段重新配置自己。”在这种观点下，黑洞可能是空间融化的地方。已知的理论会被打破，但一个更普遍的理论会描述新阶段发生了什么。即使太空到了尽头，物理学仍在继续。纠缠的网近年来的一个重大发现——一个跨越了旧学科边界的发现——是相关关系涉及量子纠缠。纠缠是量子力学固有的一种非常重要的相互关系，它似乎比空间更原始。例如，一个实验员可能创造出两个向相反方向飞行的粒子。如果它们纠缠在一起，无论它们相距多远，它们仍然保持协调。传统上，当人们谈论“量子”引力时，他们指的是量子的离散性、量子涨落以及书中几乎所有其他的量子效应，但从来没有量子纠缠。当黑洞迫使这一问题出现时，情况发生了变化。在黑洞的生命周期中，纠缠的粒子会掉进去，但当黑洞完全蒸发后，它们在外部的伙伴就什么也没有了。“霍金应该把它叫做纠缠问题，”俄亥俄州立大学的萨米尔·马图尔说。即使在真空中，周围没有粒子，电磁场和其他场也会在内部纠缠。如果你在两个不同的点测量一个场，你的读数会以随机但协调的方式波动。如果你把一个区域分成两部分，这些部分就会相互关联，关联的程度取决于它们唯一的共同几何量:它们的界面面积。年，雅各布森提出，缠结提供了物质存在与时空几何之间的联系，也就是说，它可能解释了万有引力定律。“更多的纠缠意味着更弱的引力——也就是说，更坚硬的时空，”他说。量子引力的几种研究方法——最重要的是弦理论——现在认为纠缠是至关重要的。弦理论不仅将全息原理应用于黑洞，而且还应用于整个宇宙，为如何创造空间提供了一种方法——至少是部分空间。例如，二维空间可以通过字段进行线程化，当以正确的方式构造时，字段可以生成额外的空间维度。原来的二维空间将作为一个更广阔的领域的边界，被称为体空间。纠缠是将体空间编织成一个连续的整体。年，不列颠哥伦比亚大学的MarkVanRaamsdonk为这一过程给出了一个优雅的论证。假设边界上的场不是纠缠的——它们形成一对不相关的系统。它们对应两个独立的宇宙，无法在它们之间旅行。当这些系统纠缠在一起时，就像一个隧道，或者虫洞，在这些宇宙之间打开，一艘宇宙飞船可以从一个宇宙到另一个宇宙。随着纠缠度的增加，虫洞的长度缩短，将宇宙拉到一起，直到你不再把它们称为两个宇宙。“大时空的出现直接与这些场论自由度的纠缠有关，”范·拉姆斯东克说。当我们观察电磁和其他领域的相互关系时，它们是将空间结合在一起的纠缠的残余。空间的许多其他特征，除了它的邻近性，也可能反映纠缠。现在马里兰大学帕克分校的VanRaamsdonk和BrianSwingle认为，缠绕的普遍性解释了引力的普遍性——它影响所有的物体，并且不能被屏蔽掉。至于黑洞，斯坦福大学的伦纳德·苏斯金德和新泽西州普林斯顿大学高级研究所的胡安·马尔达塞纳说这表明，黑洞与其发出的辐射之间的纠缠产生了一个虫洞——一个进入黑洞的后门。这可能有助于保存信息，并确保黑洞物理是可逆的。虽然这些弦理论的想法只适用于特定的几何形状，并且只重构空间的一个维度，但一些研究人员试图解释所有空间是如何从零开始出现的。例如，曹春军、斯派里登米哈拉基斯和肖恩都来自加州理工学院。如果它有正确的关联模式，系统可以被分割成可以被识别为时空不同区域的组成部分。在这个模型中，纠缠度定义了空间距离的概念。在物理学中，更普遍地说，在自然科学中，空间和时间是所有理论的基础。然而，我们从来没有直接看到时空。相反，我们从日常经验中推断出它的存在。我们假设对我们所看到的现象最经济的解释是在时空中运行的某种机制。但量子引力的底线是，并非所有现象都完全符合时空。物理学家将需要找到一些新的基础结构，当他们找到时，他们将完成一个多世纪前由爱因斯坦开始的革命。
