物理

重力是一種幻覺嗎?

重力以及空間中的某一維度或許只是幻覺罷了,因為它們可能只代表了更低維度空間中粒子與場的某種特殊交互作用而已。

撰文/馬多西納 ( Juan Maldacena )
翻譯/高涌泉(台灣大學物理系教授)

物理

重力是一種幻覺嗎?

重力以及空間中的某一維度或許只是幻覺罷了,因為它們可能只代表了更低維度空間中粒子與場的某種特殊交互作用而已。

撰文/馬多西納 ( Juan Maldacena )
翻譯/高涌泉(台灣大學物理系教授)

大家都看得到,我們周遭的空間具有上下、左右、前後等三個維度。如果把時間加進來,我們就有了一個混合了時間與空間的四維時空。所以,我們就住在一個四維的宇宙裡,不是嗎?


很不可思議的,物理中某些新理論卻預測了三維空間的其中一維可能僅是一種幻覺而已,而構成我們所知世界的一切粒子與場,其實都只是在一個二維的場域中運動罷了,這個二維世界就好似艾波特(A. Abbott)的名著《平地》(Flatland)所描述的那樣。在這些理論中,重力也是幻覺的一部份:二維世界中並沒有這個力,但是當第三維的幻覺出現時,重力也跟著出現。


講得更精確一點,新理論的預測是空間維度的數目可能會依觀點而異。換句話說,物理學家可以選擇用一組三維空間中的定律(包括重力定律)來描述現實世界,也可以選用另一組二維空間中的定律(不含重力定律)來描述,這兩種描述方式完全等價。儘管這兩種方式截然不同,兩個理論都可以描述我們所看到的一切,以及我們所蒐集關於宇宙如何運行的一切數據。我們根本沒有辦法決定哪一個理論才「真正」算是正確的理論。


上述的這種狀況實在難以想像,還好我們可以在日常生活中找到類似的現象,那就是全像圖。全像圖是二維物體,但是如果我們在適當的光學條件下去看它,就會看到完整的三維圖像。描述三維圖形所需的一切資訊,基本上都記錄在二維的全像圖之中。同樣的,在新理論中,整個宇宙也可能是某種全像圖(見2003年9月號〈資訊.黑洞.全像宇宙〉)。


這種全像式的描述不只是一種智性上或哲學上的有趣東西,它還可能非常有用。譬如說,某個計算在其中一種描述方式下可能非常困難,但在另一種方式中或許就比較單純,因而使得某些令人摸不著頭緒的問題變得比較容易解決。例如最近要分析某項高能物理實驗的結果,這個新理論似乎就有所幫助。除此之外,這種用了全像術概念的理論提供了一種全新的方法,來建構一個量子重力論,亦即遵守量子力學原理的重力論。任何人如果企圖統一所有自然界的力,都會了解量子重力論所扮演的關鍵角色。只有這門學問才能解釋黑洞內到底是什麼樣子,以及大霹靂後幾奈秒間發生了什麼事情。這些深奧的謎題困擾我們已久,而全像理論提供了可能的解答。


全像理論連繫了兩組物理定律,一組是適用於某空間範圍之內的定律,另一組則適用於邊界表面上。圖中耍把戲的人和她那彩色的二維影像就代表了這兩種描述世界的方式。邊界上的定律牽涉到帶有「色」荷的量子粒子,這些粒子會交互作用,和標準粒子物理中的夸克與膠子非常類似。三維空間內部的定律則是某種弦論,很難用量子力學來描述的重力(耍把戲的人感受得到)定律也包括在內。儘管兩組物理定律表面上看起來南轅北轍,但其實邊界上和空間內的物理是等價的。



更多相關文章

2018年12月202期睡眠學習不是夢 雜誌訂閱

本期最新文章