空间和时间的真正本质到底是什么时间与空间的本质是什么

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（图片来源：Stephania Infante）
Natalie Paquette在思考如何增加一个额外的维度。从分布在空间和时间上的每一个点上的小圆圈开始，这些圆圈是能循环回到自身的曲线维度。然后缩小这些圆圈使其越来越小，越来越紧，直到不寻常的转变出现：这些维度看起来不再是很小的，而是变得巨大，就像当你意识到一些就在周围而且看起来很小的东西实际上遥远而巨大一样。Paquette说：“我们正在缩小一个空间方向，但当我们试图将它收缩到某个特定的点时，却出现了一个新的、巨大的空间方向。”
华盛顿大学的理论物理学家Paquette并不是唯一一个研究这种不寻常维度转变的人。在这一学科的不同领域，越来越多的物理学家用不同的方法开展工作，他们越来越多地认可一个深刻的想法：空间甚至时间可能并不是基本的事物。相反，空间和时间可能只是从更基本的组分的结构和行为中涌现出来的。现实中最深层次的问题，比如“何地”？“何时”？可能根本没有答案。Paquette说：“我们从物理学中得到暗示：我们所理解的时空并不是本质的事物。”
这些激进的观点来自于一个世纪以来寻找量子引力理论的最新进展。广义相对论是物理学中最出色的引力理论，这是爱因斯坦提出的，关于物质如何扭曲空间和时间的著名理论。量子物理学则是物理学的其他方面最出色的理论，它在涉及到物质、能量和亚原子粒子性质上的准确性十分惊人。这两个理论都能很轻松地通过物理学家在过去几个世纪里设计实施的测试。人们可能会认为，把二者结合在一起，就能获得一个“万有理论” 。
但这两个理论结合的效果并不好。把广义相对论放到量子物理学背景下会产生矛盾，在计算中会出现难以驾驭的无穷数。大自然知道如何在量子背景下应用引力，这一应用发生在大爆炸最初的时刻、黑洞的中心，但人类仍在努力理解这个过程是如何实现的。问题部分在于这两个理论处理空间和时间的方式不同，量子物理学认为空间和时间是不可变的，而广义相对论则将它们扭曲。
量子引力理论需要调和这些关于空间和时间的观点。一种方法是消除问题的根源，即时空本身，使其从更基本的事物中涌现出来。近年来，几种不同的研究路线都表明，在现实的最深层，空间和时间并不以在日常生活中的方式存在。在过去的十年里，这些观点从根本上改变了物理学家对黑洞的看法。现在，研究人员正在用这些概念来解释更奇特的事物的原理，比如虫洞，即时空中距离遥远的两点之间像隧道一样的通道。这些成功让人们热切希望取得更深入的突破。如果时空是从无到有产生的，那么如果能弄清楚它来自哪里以及它如何从无到有，或许最终就能够打开通往万有理论的大门。
今天，在物理学家中候选量子引力理论中，最流行的是弦理论。根据这一理论，弦是物质和能量的基本组成部分，产生了在世界各地的粒子加速器中都能看到的无数基本的亚原子粒子。弦甚至与引力有关——弦理论假设一个携带引力的粒子，即一个“引力子”存在，并且这是该理论的必然结果。
但是人们很难理解弦理论，它存在于数学领域，物理学家和数学家花了几十年来探索它。该理论的大部分结构仍未确定，研究探索仍在计划中，研究者还需填补很多空白。在这个新的领域内，起到导航作用的主要技巧是数学上的对偶性，是一种系统和另一种系统之间的对应关系。
本文一开始的小维度和大维度之间的对偶就是一个例子。弦理论表明，试着把一个维度塞进一个小空间里，最终将得到一个在数学上与这个维度巨大的世界完全相同的事物。根据弦理论，这两种情况是相同的——你可以自由地在一种情况和另一种情况之间来回切换，以及使用一种情况中的技巧来理解另一种情况如何运作。Paquette说：“如果你仔细研究这个理论的基本要素，你自然会发现……你可能获得了一个新的空间维度。”

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