弦理论中的世界
如今 ， 弦理论是最受物理学家们欢迎的量子引力候选理论 。 根据该理论 ， 弦是物质和能量的基本组成部分 ， 产生了可以在粒子加速器中看到的无数基本亚原子粒子 。 弦甚至与引力的产生有关 ， 该理论的必然结果之一 ， 就是一种承载引力的假想粒子 ， 称为“引力子” 。
然而 ， 弦理论很难理解 ， 更多是存在于物理学家和数学家花了几十年时间探索的数学领域 。 该理论的大部分架构仍未建立 ， 更多的探索仍在计划中 ， 研究者还需要填补很多空白 。 这个新领域所依赖的主要技巧是数学对偶 ， 即一种系统和另一种系统之间的对应关系 。
我们可以用开头提到的小维度和大维度之间的对偶作为例子 。 试着把一个维度塞进一个小空间 ， 弦理论会告诉你 ， 你最终将得到一个数学上完全相同 ， 该维度却十分巨大的世界 。 根据弦理论 ， 这两种情况是一样的——你可以在一种情况与另一种情况之间自由地来回切换 ， 并通过使用某些技巧 ， 从一种情况来理解另一种情况是如何运作的 。 “如果你仔细跟踪这个理论的基本构建模块 ， ”怕奎特说 ， “有时候你会很自然地发现……你可能获得了一个新的空间维度 。 ”
在许多弦理论学家看来 ， 类似的对偶关系表明空间本身是涌现的 。 这个想法始于1997年 ， 当时普林斯顿高级研究院的物理学家胡安·马尔达西那发现了一种量子理论（共形场论 ， 简称CFT）与广义相对论中一种特殊时空（反德西特空间 ， 简称AdS）之间的对偶关系 ， 即AdS/CFT对偶 。 二者似乎是截然不同的理论——CFT完全没有引力 ， 而AdS则包含了广义相对论所有的引力效应 。 然而 ， 这两个世界可以用同样的数学进行描述 。 AdS/CFT对偶的发现为量子理论与包含引力的整个宇宙之间提供了一种具体的数学联系 。
奇怪的是 ， AdS/CFT对偶中的空间AdS比量子场CFT多了一个维度 。 但物理学家们很喜欢这种不匹配 ， 因为它可以作为几年前提出的另一种对偶关系的特例 。 这种对偶关系是荷兰乌得勒支大学的物理学家杰拉德·特·胡夫特和美国斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德提出的 ， 称为全息原理（holographic principle） 。 基于黑洞的一些特殊特征 ， 特·胡夫特与萨斯坎德推测 ， 一个空间区域的性质可能完全“编码”在其边界上 。 换句话说 ， 一个黑洞的二维表面将包含所有描述其内部三维结构的信息——就像一个全息图 。 “我想很多人都觉得我们疯了 ， ”萨斯坎德说 ， “认为这两个优秀的物理学家变坏了 。 ”
类似地 ， 在AdS/CFT对偶中 ， 四维CFT对与其相关的五维AdS空间的所有内容进行编码 。 在这个系统中 ， 整个时空区域是由共形场论中量子系统各组分之间的相互作用建立起来的 。 这一过程可以比作阅读小说：“如果你在书中讲述一个故事 ， 书中的人物就会有所作为 ， 但书上只有一行文字 ， 对吧？从这行文字中可以推断出这些人物正在做什么 。 书中的人物就像AdS ， 而这一行文字就是CFT 。 ”
那么 ， AdS的空间来自哪里呢？如果这个空间是涌现的 ， 那么它是从哪里冒出来的呢？答案是CFT中一种特殊而奇怪的量子相互作用：纠缠 。 这是一种纯粹发生于量子系统的现象 ， 两个远距离粒子的行为会以统计上不可能的方式被瞬间关联起来 。 众所周知 ， 量子纠缠问题一直困扰着爱因斯坦 ， 他称其为“鬼魅般的超距作用” 。

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图3/3
我们熟悉的平滑时空来自于时空中微小“颗粒”的集体行为；就像沙丘一样 ， 这些厚实的晶体状颗粒仍然是沙子 ， 但它们看起来或表现出来的行为都不像起伏的沙丘