新智元报道
编辑：静音
【新智元导读】现有的时空结构可能并不是物理世界的最基础组成，它们可能只是某种更深层次事物的近似。一篇发表于Quanta Magazine的文章提出了三个思想实验来支持这一观点。这些实验表明，在极端条件下，我们所熟知的时空结构可能会失效。如果真是这样，我们可能需要用更基础的理论来重新描述物理世界。
9月25日，一篇名为《The Thought Experiments That Fray the Fabric of Space-Time》的论文发表在了Quanta Magazine上。文章探讨了关于时空结构的一些思想实验，这些实验挑战了我们对宇宙的基本理解。
文中指出，我们所居住的宇宙的时空结构似乎并不是无法再进一步分解的最基础单位，而是某种更深层次事物的近似。
随着物理学家总结出对现实进一步理解的更基本单位，现有的时空结构概念最终将被取代。
文中提出了3个思想实验来论证这一观点。
这些思想实验表明，我们所居住的宇宙的时空结构在极端情况下可能会崩溃。如果确实如此，我们可能需要一种更深层次物质的物理描述——它不会崩溃，并且由更基本的构造单元组成。
思想实验1：缩小对时空的观察
这个思想实验分析了物理定律在越来越小的距离尺度下的表现。
物理学家通过让粒子相互碰撞来研究物理定律。粒子具有波的性质，它们的能量越高，波长就越短。
波长越短，粒子相互作用的区域就越小。
因此，要在更小的距离上研究物理世界的基本构造与规律，需要能量更高、波长更短的粒子。
然而，如果粒子的碰撞在足够小的区域内聚集了足够多的能量，粒子会形成一个黑洞，永远无法到达探测器。
所以存在一个最小距离——称为普朗克长度——低于这个尺度，我们无法获取数据。
综上所述，如果在普朗克尺度以下无法进行任何测量，那么或许，我们所理解的时空在这个尺度上并不存在。
思想实验2：进行局部测量
这个思想实验探讨了「测量时空中任何物体的任何物理属性」的可能性。
由于粒子的量子涨落，所有测量都不可避免地存在一定的不确定性。
随着粒子数量的增加，这种不确定性迅速减小，因此在日常物体中几乎察觉不到——即便是实验人员也很难注意到。
但这种不确定性始终存在。为了减少测量的不确定性，我们需要一个自身不确定性更小的测量装置，因此装置必须包含更多的粒子。
然而，装置的密度只能增加到一定程度，超过这个限度就会形成一个黑洞。因此，我们无法精确测量所需的物理属性。
综上所述，我们可能无法精确定义时空中物体的物理属性，因此或许存在某种其他层次的组织结构是精确且真实的。
思想实验3：存储信息
这个思想实验探讨了「在一个固定的时空区域中尽可能多地存储信息」后，可能发生的情况。
首先，想象在一个区域内——比如一间房间——放满书籍。书页上可以记录多少信息？
接着，试试更高密度的存储介质：存储数字信息的硬盘。这个区域现在能容纳多少信息？
我们还能存储更多吗？想象一下宇宙中最好的信息存储设备。或许这样的「超级硬盘」可以将信息编码在中子星物质中——这是已知密度最高的物质。现在这个区域可以容纳更多的信息。
不过，再多装入一个字节时，某种剧烈的事情会发生。这个房间会坍缩成一个黑洞。
事实证明，黑洞是信息的最密集容器。但它们能容纳多少信息呢？
奇怪的是，根据1970年代雅各布·贝肯斯坦和斯蒂芬·霍金的计算，这个量取决于黑洞的表面积——而不是它的体积。这可能意味着黑洞「内部」发生的任何事件都记录在其表面上。
综上所述，或许黑洞——乃至所有时空区域——都是存在于某种未知性质的二维表面上的数据全息图。
参考资料：
https://www.quantamagazine.org/the-thought-experiments-that-fray-the-fabric-of-space-time-20240925/