时空是连续的,这是21世纪物理学界的共识。但也有物理学家对此提出质疑——芝加哥城边进行的一项实验正尝试监测信息、物质和时空之间的内在联系。如若成功,这个实验将动摇当前的时间和空间理念,开启新的物理理论时代。
克雷格·霍甘(Craig Hogan)认为,我们生活在一个模糊的世界。这可不是什么比喻,而是颇为严肃的科学观点。在身为美国芝加哥大学物理学家、费米实验室粒子天体物理学中心主任的霍甘看来,如果我们深入最微小的空间与时间结构,杂乱无章的沙沙声充斥着整个宇宙,就像收音机里的静电干扰声一样。
一个秋高气爽的下午,霍甘带我去看他搭建的、用来探测这些沙沙声的机器。
只见一座亮蓝色的小屋坐落在费米实验室园区内黄褐色的草坪中,看上去似乎是这家已有45年历史的机构中唯一的新建筑,一根拳头粗细的管子从小屋延伸出40米,钻进一个与管道垂直的、长长的舱室中,这个舱室此前的“主人”是一台粒子发生器,数十年如一日地从这里向南边的明尼苏达发射亚原子粒子,现在则被霍甘的全息干涉仪(Holometer)占据,用以放大来自空间碎片的沙沙声。
霍甘拾起一块粗大的铺路石,把它当作粉笔,在小屋天蓝色的墙壁上写写画画,向我即兴讲解,如何用几束曲折穿行于管道的激光,来放大微如毫末的空间结构。他先向我解释了,20世纪最成功的两大物理理论——量子力学和广义相对论为何无法取得一致。
在最小的空间尺度上,这两个理论都会变得毫无意义,但这个尺度似乎另有特殊之处,它刚好与信息科学(science of information)——即由“0”和“1”构成的世界——有内在联系。
霍甘和他的研究小组正在离办公室约1千米的地方建造全息干涉仪。实验中,激光束被射向40米长的真空管道(上图)。
其中一套管道放置在此前用于发射粒子束的舱室中,另一套管道直接在露天铺设,延伸到一间蓝色的小屋内(中图),屋内装有反射镜和聚焦透镜组。高精度光学设备(下图)用来聚焦和引导光线。该实验的成本之所以很低,是因为从本质上来看,它是19世纪一个著名实验的“升级版”——当年,这个实验曾颠覆了人们对存在基础的认识。
1887年,阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)设计了一个实验来寻找以太。他们建造了一台干涉仪(interferometer),这种带有两条L形光臂的仪器很适合用于测量微小变化。来自同一光源的两束光,将沿着两条光臂照射到光臂末端的镜子,再被反射回来,重新交汇于出发点。
只要光通过两条光臂的时间相差约1毫秒(0.001秒),重新交汇而成的光线就会比发射时暗。
霍甘的干涉仪也和迈克尔逊干涉仪类似,搜寻的是类似以太的时空背景——一种不可见(可能仅是一种想象)的、充满整个宇宙的物质。他将两台迈克尔逊干涉仪叠加起来,试图探测宇宙中最为微小的尺度:普朗克尺度(Planck scale)。在这个尺度上,量子力学和相对论都将失效,只有信息以比特形式存在其中。
信息构成的宇宙
普朗克尺度不仅小,而且是最小的尺度。如果你把一个粒子放进一个1普朗克尺度见方的盒子里,根据广义相对论(general relativity),这个粒子的重量将超过同样大小的黑洞,但同时,量子力学预言,任何小于普朗克尺度的黑洞所携带的能量,都小于单个能量子(quantum of energy,量子力学中能量的最小单位),这是不可能的。显然,在普朗克尺度上,物理学出现了悖论。
在普朗克尺度下,不止量子力学和相对论无法相容。近10多年来,有关黑洞本质的争论,让科学家对普朗克尺度有了全新的理解。尽管普朗克尺度“终结”了两个最好的物理学理论,但也出现了一些新的见解:如果宇宙的本质是信息,那按照这种思路,信息的基本单位比特,就应该寄身于普朗克尺度之中。
确认宇宙是否数字化的策略就是,深入到微小尺度上,去检测时空泡沫是否存在。这样,我们再次与普朗克长度相遇。霍甘的全息干涉仪正是逼近普朗克长度的一次尝试——如果用传统实验方法(如粒子加速器)来测量这么微小的长度单位,可能要建造银河系那么大的仪器才能实现。
在构造上,霍甘的全息干涉仪与迈克尔逊和莫雷的非常类似。如果迈克尔逊和莫雷也有微电子设备和两瓦特的激光器,他们差不多也能制造出霍甘的全息干涉仪。
在这台设备中,先是一束激光照射到分束器(splitter)上,分成两束,这两束激光再分别沿着两条呈L形的、长40米的光臂射出。在光臂末端,激光束遇到小镜子后,会沿原路反射回分束器,最后在分束器中重新混合。只不过,霍甘要测量的不是地球在以太中穿行的速度,而是空间的量子涨落所造成的光束传播距离的微小变化。