物理

時空,是纏結的資訊嗎?

時空從何而來?國際合作計畫「來自量子位元」(It from Qubit)正在研究,資訊是否可以透過量子纏結產生時空。

撰文/莫斯柯維茨(Clara Moskowitz)
翻譯/陳勁豪

物理

時空,是纏結的資訊嗎?

時空從何而來?國際合作計畫「來自量子位元」(It from Qubit)正在研究,資訊是否可以透過量子纏結產生時空。

撰文/莫斯柯維茨(Clara Moskowitz)
翻譯/陳勁豪


莎士比亞曾在劇作中寫到「世界是座舞台」,而物理學家也同意。只是物理學家認為舞台剛好就是整個空間;對他們來說,空間有時看來僅是各種作用力與場發生交互作用的背景。一般而言,空間並不是由任何東西所構成。


科學家已經開始懷疑這個概念。空間(在廣義相對論中稱為「時空」)可能由資訊的微小片段所構成,這些小片段的交互作用創造時空(spacetime),以及其相對應的特性,例如空間中的曲率,進而產生重力。這個想法如果正確,不但可以解釋時空的概念,也可能協助物理學家建立引頸翹望的量子重力理論,也就是結合廣義相對論與量子力學這兩個相當重要卻難以相容的理論。這種可能性最近點燃了數百位物理學家的熱情,在名為「來自量子位元」(It from Qubit, IfQ)的計畫支持下,他們大約每三個月聚會一次。


IfQ計畫中的「it」是指時空,量子位元「qubit」(唸做cue-bit)則類似電腦的「位元」,代表資訊的最小單位,只不過是在量子尺度。這項計畫的核心想法:宇宙由一些基礎程式碼所構成,如果可以破解這些程式碼,物理學家將能理解宇宙大尺度事件的量子本質。IfQ於2016年7月在加拿大圓周理論物理研究院舉辦暑期學校,主辦單位原先預計約90個人報名,不過報名人數太多,最後收了200位參加者,同時在其他大學舉辦六場遠距會議。美國普林斯頓大學的博士後研究員英格赫特(Netta Engelhardt)並沒有正式加入IfQ,但是參加過其中幾場會議,她表示:「我想這是建立量子重力理論的好機會,即使不是最有希望的選擇。這項計畫正要起飛。」


由於IfQ牽涉量子電腦與時空及廣義相對論兩個領域,以往很少合作的量子資訊科學家與高能物理及弦論專家便能共同研究。大約一年多前,支持科學與數學研究的私人機構西蒙斯基金會贊助IfQ成立,提供物理學家研究及召開相關研討會的機會。之後,科學家對這個題目的興趣逐漸高漲,接連舉辦的研討會也吸引更多研究人員參加,其中包括西蒙斯基金會贊助的正式成員,以及一些純粹對這個主題感興趣的研究人員。IfQ成員吉田紅(Beni Yoshida)同時也是圓周理論物理研究院的博士後研究員,他表示:「這項計畫著重一些非常重要、但是非常困難的問題。合作很重要,單槍匹馬無法解決問題。」


計畫之外的科學家也注意到這項發展。美國哥倫比亞大學的弦論專家格林恩(Brian Greene)沒有參加IfQ,他表示:「如果借鏡量子資訊理論的方法真的符合預期,很可能將引發我們對時間與空間認識的革命。這非常重要,而且令人超興奮。」


量子纏結織出時空布幕


無論時空是數位的,或是由其他事物構成,這種概念都脫離了廣義相對論的傳統圖像。新看法認為,時空與其說是一種基本存在,反而更有可能藉由量子位元的交互作用而「產生」。究竟這些位元由什麼構成?又包含什麼資訊?科學家目前仍不明白,有趣的是,他們似乎並不感到困惑。也參與IfQ的史丹佛大學博士後研究員史溫格(Brian Swingle)表示:「重要的是位元之間的關聯,而不是位元本身,各成份之間的關聯才有趣。關鍵不在於成份是什麼,而是它們怎麼連結。」


IfQ的成功關鍵可能是「量子纏結」這種奇怪現象:這是粒子之間的一種交互作用,當對其中一個粒子作用,另外一個粒子即使距離非常遙遠,也會受到影響。賓州大學的物理學家、IfQ的主要研究員巴拉薩布藍曼尼恩(Vijay Balasubramanian)表示:「最近出現一個相當有趣的構想,透過量子纏結把這些不管到底是什麼的時空『原子』綁在一起,就能織出時空的布幕。如果這是真的,那就太妙了。」


這個概念背後的邏輯奠基於一些物理學家早期的研究,例如現任職於伊利諾大學香檳分校的笠真生(Shinsei Ryu)及日本京都大學的高柳匡(Tadashi Takayanagi)在2006年發表了一篇論文,提出量子纏結與時空幾何之間的關聯。以此做為基礎,普林斯頓高等研究院的物理學家馬多西納(Juan Maldacena)與史丹佛大學的物理學家色斯金(Leonard Susskind)於2013年發現,如果兩個黑洞纏結在一起,它們之間可能會形成一個蟲洞(廣義相對論預測的時空捷徑)。令人驚訝的是,這個發現(或稱為ER=EPR,分別代表蟲洞與量子纏結,也是提出這兩個概念的物理學家的姓氏第一個字母)以及其他類似的結果都顯示,量子纏結這種超距作用可以創造出時空的結構。


要了解為什麼量子纏結可能產生時空,物理學家首先必須更加了解量子纏結究竟如何作用。當愛因斯坦與合作者在1935年預測出這個現象,他認為這看起來有點「詭異」,因為牽涉兩個相隔很遠的粒子間存在立即的連結,似乎牴觸沒有任何事物可以超越光速的概念。


最近科學家研究許多不同類型的量子纏結,典型的量子纏結是空間中許多相同的粒子以單一特徵(例如粒子的自旋)連結起來。不過巴拉薩布藍曼尼恩表示,這種「典型的量子纏結並不完整。我後來才發現還有許多不同類型的量子纏結,可能與重新建構時空的概念有關。」舉例來說,科學家可以把某種粒子與同地點的另一種粒子相互纏結,這種量子纏結不牽涉空間。科學家也正嘗試解決纏結大量粒子時出現的複雜問題。


一旦弄清楚量子纏結的過程,科學家希望進一步了解時空如何出現,就像氣體分子的微觀運動會造成複雜的熱力學及天氣現象。英格赫特表示,這些都是突現(emergent)現象。「當你把視角拉遠,會看到過去由於視野局限而從沒見過的景象。這是IfQ計畫最有意思的其中一點,因為我們並不曉得時空是透過怎樣的基本量子現象而產生。」


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