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1915年，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，徹底改變了我們對(duì)時(shí)間、空間和引力的認(rèn)識(shí)。愛(ài)因斯坦的理論中，引力被看作是時(shí)空的彎曲，并預(yù)言了引力可以彎曲光線，宇宙中存在著黑洞等等。

但是一個(gè)世紀(jì)過(guò)去之后，時(shí)空的本質(zhì)卻仍是謎團(tuán)：時(shí)空是怎么產(chǎn)生的？為什么時(shí)空的性質(zhì)符合廣義相對(duì)論？微觀世界下時(shí)空和引力會(huì)是怎樣？物理學(xué)家現(xiàn)在還不知道真正的答案，不過(guò)他們似乎找到了一些線索。

時(shí)空編織物

想象一下，不斷放大時(shí)空，直到走進(jìn)普朗克尺度（宇宙中的最小尺度，約為1.62×10-33厘米）下的時(shí)空，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這里的時(shí)空虛粒子對(duì)不斷產(chǎn)生，如同沸騰了一樣，而且這里的空間結(jié)構(gòu)是不確定的，不存在時(shí)間概念。許多物理學(xué)家認(rèn)為，在這里會(huì)有另一種我們目前還不能揭示的更為基本的東西浮現(xiàn)出來(lái)。

雖然還存在著爭(zhēng)議，不過(guò)許多物理學(xué)家認(rèn)為更為基本的東西可能與一種被愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”有關(guān)。這種超距作用就是量子糾纏。

量子糾纏，就是兩個(gè)量子系統(tǒng)（一個(gè)粒子或一堆粒子）在經(jīng)過(guò)短暫的彼此相互作用之后，單獨(dú)干擾其中任意一個(gè)系統(tǒng)，會(huì)不可避免地瞬時(shí)影響到另一個(gè)系統(tǒng)的性質(zhì)，即使兩個(gè)系統(tǒng)之間可能相隔很長(zhǎng)一段距離。如果用信息觀點(diǎn)來(lái)理解的話，我們可以說(shuō)，如果你測(cè)量其中一個(gè)系統(tǒng)，你就會(huì)知道另一個(gè)系統(tǒng)的信息。也就是說(shuō)，量子糾纏是量子信息的一種關(guān)聯(lián)性。

物理學(xué)家認(rèn)為，一對(duì)糾纏粒子如同一個(gè)個(gè)零部件，它們之間再通過(guò)量子糾纏繼續(xù)粘合起來(lái)，形成一種連續(xù)光滑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這樣，時(shí)空就誕生了。或者，如果把時(shí)空看作一種編織物的話，那么糾纏粒子則是節(jié)點(diǎn)，量子糾纏則是絲線。

復(fù)雜的量子系統(tǒng)

物理學(xué)家有了這種概念后，下一步就是進(jìn)行嚴(yán)格的論證，來(lái)看看究竟量子糾纏是怎么編織出時(shí)空。不過(guò)問(wèn)題就來(lái)了：研究包含多個(gè)物體的系統(tǒng)是一件十分復(fù)雜的事情，不管是經(jīng)典系統(tǒng)還是量子系統(tǒng)。例如，經(jīng)典系統(tǒng)里最為典型的例子就是“三體問(wèn)題”。利用牛頓力學(xué)，你很容易計(jì)算諸如太陽(yáng)和地球等兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)情況，不過(guò)加入第三個(gè)物體，例如月球，就會(huì)把從可得到精確結(jié)果的問(wèn)題變?yōu)橐粋€(gè)完全混沌的問(wèn)題，這樣長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)情況得需要極為強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)才能得到近似的結(jié)果。如果再加入更多物體，問(wèn)題會(huì)變得更為復(fù)雜。

量子系統(tǒng)的情況更加糟糕。想象一下，量子系統(tǒng)有數(shù)億個(gè)原子，而且每一個(gè)原子都根據(jù)復(fù)雜的量子力學(xué)公式與其他的原子相互作用。即使只考慮一塊只有100個(gè)原子的金屬，每個(gè)原子的自旋可以是向上和向下，那么整個(gè)可能的狀態(tài)則為2100，或者大約為1030。只要再增加一個(gè)原子，可能的狀態(tài)就會(huì)增加一倍。所以，計(jì)算難度會(huì)隨著系統(tǒng)內(nèi)的粒子數(shù)量呈爆炸形式增長(zhǎng)，直接硬著頭皮去計(jì)算是行不通的。

另外還有一點(diǎn)就是，研究量子糾纏如何編織出時(shí)空，避免不了處理引力問(wèn)題，因?yàn)闀r(shí)空的彎曲程度就是引力，但是目前一些能把量子力學(xué)和引力結(jié)合在一起的理論，即量子引力理論，其數(shù)學(xué)公式仍極為繁瑣，物理學(xué)家還無(wú)法直接求解出精確結(jié)果。那么該怎么辦呢？

解決復(fù)雜問(wèn)題

最近，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種數(shù)學(xué)工具，有能力去計(jì)算復(fù)雜量子系統(tǒng)。這種數(shù)學(xué)工具就是張量網(wǎng)絡(luò)。

張量其實(shí)是一種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)概念，它可以同時(shí)代表多個(gè)數(shù)值。例如，速度矢量是最為簡(jiǎn)單的一種張量，它同時(shí)代表著速度的大小和運(yùn)動(dòng)方向。更為復(fù)雜的張量相互聯(lián)系起來(lái)組成網(wǎng)絡(luò)，可以表示一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)的所有信息。物理學(xué)家不需要求解出所有的信息，只需要把需要的信息提取出來(lái)即可。形象地說(shuō)，張量網(wǎng)絡(luò)如同一個(gè)神秘的黑盒子，所有的東西都可裝進(jìn)去，而且它可以吐出你所需要的東西。

有了數(shù)學(xué)工具，那么下一步就是處理量子引力問(wèn)題。解決的辦法與全息原理有關(guān)。

一張2維的全息照片包含所有3維物體的信息。同樣，一些物理學(xué)家認(rèn)為，整個(gè)宇宙可能就是一張全息圖，描述整個(gè)3維宇宙的信息，可以編碼到一個(gè)2維表面上。可以這么理解：想象一個(gè)2維的電腦芯片，它包含的代碼，可以模擬出一個(gè)完整的3維虛擬世界。我們就可能生活在一個(gè)3維虛擬世界之中，也就是說(shuō)我們所體驗(yàn)到的3維可能是一種幻覺(jué)。

1997年，阿根廷物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)西那發(fā)現(xiàn)，3維馬鞍形狀的宇宙模型里的一切性質(zhì)，與一個(gè)2維平滑時(shí)空下的無(wú)引力的宇宙模型里的性質(zhì)是完全一樣的。這種聯(lián)系被物理學(xué)家稱為“對(duì)偶性”。這種對(duì)偶性如同一部翻譯機(jī)，可以把一個(gè)很難讀懂的外文，準(zhǔn)確地翻譯為大家都能讀懂的語(yǔ)言。這樣，3維馬鞍形狀時(shí)空中的物理問(wèn)題，就可以轉(zhuǎn)化為2維平滑時(shí)空下的物理問(wèn)題，而且不需要處理引力。所以，物理學(xué)家可以利用這種對(duì)偶性繞開(kāi)引力相關(guān)的計(jì)算。

時(shí)空的產(chǎn)生和破碎

問(wèn)題都解決了，那么我們就來(lái)看看量子糾纏是如何把時(shí)空編織起來(lái)的。

研究這個(gè)問(wèn)題，其中的一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)則是局域性原理。局域性原理指的是，一個(gè)粒子只與一個(gè)離它最近的粒子發(fā)生糾纏關(guān)系。形成糾纏關(guān)系后，這對(duì)糾纏粒子就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)再通過(guò)量子糾纏與其他的節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，這樣就組成了網(wǎng)絡(luò)。

由量子糾纏所組成的網(wǎng)絡(luò)有很多種，其中最為簡(jiǎn)單又很實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)，叫做MERA（“多尺度糾纏重正化擬設(shè)”的縮寫）。我們具體來(lái)說(shuō)一下。

想象在一個(gè)1維的直線上，存在著8個(gè)獨(dú)立的電子，分別稱為A、B、C、D、E、F、G和H。然后讓每一個(gè)電子與離它最近的電子構(gòu)成糾纏關(guān)系：A與B糾纏，C與D糾纏，E與F糾纏，G與H糾纏；然后再使得AB與CD糾纏，EF與GH糾纏；最后，ABCD與EFGH糾纏。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨著越來(lái)越多的量子糾纏的出現(xiàn)，時(shí)空的3維結(jié)構(gòu)就會(huì)逐漸浮現(xiàn)出來(lái)。

那么把糾纏逐漸拆開(kāi)會(huì)怎樣？物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，把時(shí)空分為兩部分，并移除它們之間的糾纏關(guān)系，時(shí)空本身就會(huì)分裂為兩部分，就像不斷拉扯一塊面團(tuán)，中間部位就會(huì)發(fā)生撕裂，最終面團(tuán)會(huì)分裂為兩部分。如果繼續(xù)清除掉時(shí)空中各種量子糾纏，那么時(shí)空就會(huì)變成微小的碎片，彼此之間不再有任何聯(lián)系。所以說(shuō)，如果去掉量子糾纏，那么時(shí)空就會(huì)破碎開(kāi)來(lái)。

現(xiàn)在，物理學(xué)家正在把研究對(duì)象從靜態(tài)的時(shí)空，轉(zhuǎn)到動(dòng)態(tài)的時(shí)空，來(lái)研究時(shí)空如何隨著時(shí)間發(fā)生改變。到目前為止，物理學(xué)家已經(jīng)成功地推演出了描述引力的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程，以及廣義相對(duì)論的假設(shè)之一——等效原理。等效原理，可以說(shuō)是在相同的引力場(chǎng)中的不同物體受到的引力加速度都是相同的。這說(shuō)明等效原理這種假設(shè)其實(shí)是來(lái)自于量子糾纏。

到目前為止，物理學(xué)家還只能在馬鞍形狀的時(shí)空中來(lái)研究時(shí)空構(gòu)成問(wèn)題。然而，我們所生活的宇宙并不是馬鞍形狀的時(shí)空，而是接近平坦的不斷膨脹的時(shí)空。物理學(xué)家希望今后能找到一種新的辦法，繞過(guò)繁瑣的數(shù)學(xué)，來(lái)研究我們所在的宇宙。