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認(rèn)真閱讀下面的文章，并思考文末互動(dòng)提出的問題，嚴(yán)格按照互動(dòng)：你的答案格式在評(píng)論區(qū)留言，就有機(jī)會(huì)獲得由人民郵電出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《奇妙量子世界：人人都能看懂的量子科學(xué)漫畫》和《進(jìn)階的量子世界：人人都能看懂的量子科學(xué)漫畫》。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)線索：量子糾纏或能解釋愛因斯坦引力方程

洛德·瑟林（Rod Serling）對(duì)維度了如指掌。他所創(chuàng)作的電視劇《迷離境界》（The Twilight Zone）橫跨想象的維度，交織了視覺、聽覺與思維的三重維度，如宇宙般浩瀚、如永恒般無盡?？梢坏┥婕?strong>現(xiàn)實(shí)中的時(shí)空維度，這位編劇卻三緘其口，從未對(duì)此作過解釋。

當(dāng)然，自愛因斯坦時(shí)代起，科學(xué)家們也在絞盡腦汁，撓頭思索：該如何理解時(shí)空的本質(zhì)？在此之前，幾乎所有人都認(rèn)為艾薩克·牛頓（Isaac Newton）已經(jīng)解開了所有謎團(tuán)。牛頓宣稱，時(shí)間“均勻流逝，與任何外界事物無關(guān)”，絕對(duì)空間也是獨(dú)立存在，自成體系，“永遠(yuǎn)相似，亙古不變”。這看似毫無玄機(jī)——物理事件在中立的舞臺(tái)上獨(dú)立上演，就像有的演員在舞臺(tái)上昂首闊步、有的則焦慮不安，他們奔走其間，各自表演，卻毫不影響舞臺(tái)之外的劇場(chǎng)。

然而，愛因斯坦的理論將牛頓提出的絕對(duì)時(shí)空概念變成了一種相對(duì)性的混合體。愛因斯坦方程揭示了一個(gè)合并的時(shí)空。這是一種全新的舞臺(tái)，物質(zhì)和能量在其中改變了場(chǎng)地的結(jié)構(gòu)。這顛覆了物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念。自此，時(shí)空不再是物質(zhì)和能量的毫無特征的中性載體。原本獨(dú)立且均勻的時(shí)間和空間，變得既不可分割又變動(dòng)不居。愛因斯坦在廣義相對(duì)論中證明，物質(zhì)和能量會(huì)扭曲周圍的時(shí)空。這一事實(shí)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則不然！該事實(shí)解釋了引力現(xiàn)象。牛頓所認(rèn)為的引力，實(shí)際上是由時(shí)空幾何形狀造成的錯(cuò)覺。時(shí)空的形狀決定了大質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，而大質(zhì)量物體又反過來塑造了時(shí)空的形狀。這堪稱一種精妙且“公平”的對(duì)稱。

“時(shí)空與引力的涌現(xiàn)，是我們渴望理解的量子多體物理中的神秘現(xiàn)象?！?/strong>

——布萊恩·斯溫格（Brian Swingle）

在一個(gè)世紀(jì)前，愛因斯坦的時(shí)空革命得到了驗(yàn)證。當(dāng)時(shí)，日食觀測(cè)遠(yuǎn)征隊(duì)進(jìn)行過一次日食探測(cè)，證實(shí)了愛因斯坦廣義相對(duì)論的核心預(yù)言——當(dāng)光線掠過大質(zhì)量巨型天體（此處指太陽）邊緣時(shí)，會(huì)發(fā)生精確的彎曲。然而時(shí)空的本質(zhì)依然成謎。既然時(shí)空并非虛無，人們自然會(huì)追問其本源。

如今，一場(chǎng)新的革命正待揭開該謎底。這場(chǎng)革命基于上世紀(jì)另一大物理學(xué)突破——量子力學(xué)的啟發(fā)。這場(chǎng)當(dāng)代科學(xué)變革或?qū)⒃俅胃膶憰r(shí)空的定義，同時(shí)或許還能解釋量子力學(xué)看似詭異的深層邏輯。

“時(shí)空與引力最終必源于某種更本源的存在?！蔽锢韺W(xué)家布萊恩·斯溫格在2018年《凝聚態(tài)物理年度評(píng)論》中如是寫道。唯有如此，愛因斯坦的引力理論與量子力學(xué)數(shù)學(xué)體系之間根深蒂固的矛盾方能調(diào)和。愛因斯坦將引力視為時(shí)空幾何的表現(xiàn)，這一觀點(diǎn)取得了巨大的成功。同樣，量子力學(xué)也以無與倫比的精準(zhǔn)度描述了原子尺度下的物質(zhì)與能量活動(dòng)。然而，試圖將量子力學(xué)的奇異現(xiàn)象與幾何引力理論納入統(tǒng)一數(shù)學(xué)框架的嘗試，卻遭遇了嚴(yán)峻的技術(shù)和概念障礙。

至少人們?cè)诶斫獬Ｒ?guī)時(shí)空的嘗試中，長(zhǎng)期存在這樣的困境。但轉(zhuǎn)機(jī)可能來自對(duì)另類時(shí)空幾何的理論研究——這些時(shí)空在理論上存在，卻擁有奇特屬性。“反德西特空間（anti de Sitter space）”便是一種特例。該空間曲率異常且具有自我坍縮傾向，與我們所處的膨脹宇宙截然不同。該空間并不宜居。但作為研究量子引力理論的實(shí)驗(yàn)室，它卻價(jià)值非凡?！傲孔右碚摼哂幸欢ǖ膹?fù)雜性和迷惑性，因此即便是宇宙的玩具模型（一種用于解釋機(jī)制而刻意簡(jiǎn)化的模型）也能帶來重要啟示，”來自馬里蘭大學(xué)的斯溫格爾如是寫道。

如圖所示，這是一種具有特殊曲率的奇異時(shí)空，稱為反德西特空間。這種時(shí)空與我們生活的宇宙截然不同。但正是這種虛構(gòu)時(shí)空，可能為揭示普通時(shí)空產(chǎn)生的量子機(jī)制提供關(guān)鍵線索。來源：U·莫謝拉（U. Moschella）/龐加萊研討會(huì)2005（Séminaire Poincaré 2005）

對(duì)反德西特空間的研究表明，描述引力的數(shù)學(xué)，即時(shí)空幾何，可能與低一維空間的量子物理數(shù)學(xué)存在等價(jià)關(guān)系?？梢詫⑵漕惐葹?strong>全息投影，即二維平面承載著三維圖像。類似地，四維時(shí)空的幾何，或許可以被編碼在三維空間中量子物理的數(shù)學(xué)中?；蛘?，可能需要更多維度。不過，具體到底需要多少維度，仍是亟待解決的難題。

無論如何，沿著這些研究方向探索，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種驚人的可能性，即時(shí)空本身可能是由量子物理生成的，特別是由一種被稱為量子糾纏的神秘現(xiàn)象所驅(qū)動(dòng)的。

通俗地講，量子糾纏是一種“幽靈般的聯(lián)結(jié)”，它能將相距甚遠(yuǎn)的粒子聯(lián)系在一起。如果這些粒子來自同一來源，那么無論它們飛離多遠(yuǎn)，仍然能夠保持糾纏的狀態(tài)。若測(cè)量其中一個(gè)粒子的某個(gè)屬性，比如自旋屬性或偏振屬性，就可以知道另一個(gè)粒子在相同測(cè)量方式下的測(cè)量結(jié)果。然而，在測(cè)量之前，這些屬性并未預(yù)先確定。這一反常識(shí)的現(xiàn)象已通過大量實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證——仿佛A點(diǎn)的測(cè)量行為瞬間決定了遙遠(yuǎn)的B點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。

這聽起來像是糾纏粒子能夠以超光速傳遞信息。否則，很難想象一個(gè)粒子如何“知曉”另一個(gè)粒子在遙遠(yuǎn)時(shí)空中的情況。然而，實(shí)際上，粒子本身并沒有發(fā)送任何信息。那么，糾纏粒子是如何跨越時(shí)空的鴻溝并產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的呢？答案或許在于：它們本就不必跨越時(shí)空——因?yàn)榱孔蛹m纏并非發(fā)生在時(shí)空之中，而是糾纏創(chuàng)造了時(shí)空本身。

至少，這就是當(dāng)前對(duì)宇宙的玩具模型研究給我們帶來的啟示?！皶r(shí)空與引力的涌現(xiàn)，是量子多體物理學(xué)中一個(gè)亟待破解的神秘現(xiàn)象，”斯溫格爾在《年度評(píng)論》論文中提出。多位頂尖物理學(xué)家的深入研究為其提供了理論證據(jù)：糾纏量子態(tài)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)編織出了時(shí)空結(jié)構(gòu)。這些量子態(tài)通常被稱為“量子比特”（qubit）——即量子信息單元（類似傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)比特，但是，量子比特能同時(shí)處于1和0的疊加態(tài)，而非單純代表1或0）。糾纏的量子比特會(huì)在空間中構(gòu)建出幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其維度比量子比特本身所處的維度多出一維。因此，量子比特的物理特性可以等價(jià)于多出一維的空間幾何結(jié)構(gòu)。更令人振奮的是，這種由糾纏量子比特構(gòu)建的幾何結(jié)構(gòu)，很可能遵循愛因斯坦廣義相對(duì)論中描述引力運(yùn)動(dòng)的方程——至少最新研究正指向該研究方向。“顯然，由量子糾纏構(gòu)建的、具備特定性質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)，必定遵循引力運(yùn)動(dòng)方程，”斯溫格爾寫道，“這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步佐證了時(shí)空源自量子糾纏的論斷。”

不過，對(duì)于這些在高維宇宙的玩具模型中發(fā)現(xiàn)的線索，能否最終解釋真實(shí)物理學(xué)家所處的普通時(shí)空，目前尚無定論。現(xiàn)實(shí)中，究竟哪些量子過程能編織時(shí)空結(jié)構(gòu)，至今仍是未解之謎。現(xiàn)有計(jì)算中的某些假設(shè)，或許終將被證偽。但物理學(xué)可能正站在突破性發(fā)現(xiàn)的門檻上——或?qū)⒏Q見前所未有的時(shí)空維度，甚至超越了人類的視聽維度，這一切或許會(huì)讓《迷離境界》電視劇中的科幻場(chǎng)景成為現(xiàn)實(shí)。

作者：Tom Siegfried

翻譯：邊穎

審校：7號(hào)機(jī)

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今天我們將送出由人民郵電出版社提供的《奇妙量子世界：人人都能看懂的量子科學(xué)漫畫》和《進(jìn)階的量子世界：人人都能看懂的量子科學(xué)漫畫》。

本書是關(guān)于量子前沿科技的科普漫畫，書中詳細(xì)介紹了潘建偉院士領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子信息科研團(tuán)隊(duì)在近幾年取得的科研進(jìn)展，將十余篇刊發(fā)在Nature，Science，PRL等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上的科研成果通過生動(dòng)有趣的漫畫形式介紹給讀者，內(nèi)容包括量子通信、量子計(jì)算和模擬、量子精密測(cè)量和基礎(chǔ)檢驗(yàn)等，重點(diǎn)介紹了中國(guó)科學(xué)家研制的“祖沖之號(hào)”“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的發(fā)展和演變。本書內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)與趣味并存、前沿與通俗兼?zhèn)洌浅＿m合對(duì)物理感興趣、對(duì)量子科學(xué)感興趣的讀者閱讀。

【互動(dòng)問題：如果量子力學(xué)能解釋時(shí)空的起源，那“時(shí)間”到底是什么？它是真的在流動(dòng)，還是只是一種錯(cuò)覺？】

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截止到本周四中午12：00，參與互動(dòng)的留言中點(diǎn)贊數(shù)排名第二、三、五的朋友將獲得我們送出的圖書一套（點(diǎn)贊數(shù)相同的留言記為并列，下一名次序加一，如并列第二之后的讀者記為第三名，以此類推）。

為了保證更多的朋友能夠參與獲獎(jiǎng)，過往四期內(nèi)獲過獎(jiǎng)的朋友不能再獲得獎(jiǎng)品，名次會(huì)依次順延

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編輯：7號(hào)機(jī)

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場(chǎng)

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