物理（一） (5-1)

目录

涌现的涌现 ▹

完美的时空，无限纠缠 ▹

不确定性的重要性 ▹

外星代数 ▹

无界的全息理论 ▹

放大与缩小 ▹

参考 ▹

约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）几乎达到了人类所能接近的柏拉图式天才的理想状态。6岁时，他已经能用古希腊语对话，这位匈牙利人在青少年时期就取得了重要的数学进展。成年后，他发明了博弈论，并参与设计了原子弹和现代计算机。

在这一过程中，1932年冯·诺依曼还是一位年轻人，他重写了量子力学的规则，以数学语言形式制定了今天用于描述粒子及其波动、概率行为的理论。他进一步发展了一个称为“算子代数”(operator algebras) 的框架，以更强大但更抽象的方式描述量子系统。然而，与他早期的量子理论研究不同，这个框架难以理解，并没有在理论物理学中广泛流行。它超越了时代，领先了足足一个世纪。

然而，在过去几年里，越来越多的物理学家开始重新研究冯·诺依曼的想法。他的算子代数现在帮助他们理解迄今最神秘的量子系统：时空的亚结构(the substructure of space and time)。

在冯·诺依曼的工作之前，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)的相对论已经将空间和时间合并为一个四维结构，称为“时空”。爱因斯坦展示了重力是由这个结构中的弯曲产生的。但物理学家们知道，时空结构并不是全部。当恒星死亡时，它们会在时空中产生深深的扭曲区域，称为黑洞，在这些地方广义相对论的方程失效。即使在时空较为平静的区域，当你放大到最小尺度时，量子波动似乎会将其撕裂。

因此，许多理论物理学家认为，时空最终会像水、金属和许多其他物质一样，表面上看似平滑简单的介质实际上是由复杂的原始量子实体组成的。几十年来，理论家们一直在思考这些实体，以及时空结构是如何从它们中涌现出来的。

这些物理学家现在对时空的量子结构有了更深入的理解。他们正在开发新的方法来预测在时空崩解的极端区域中会发生什么，同时识别出在通常情况下维持时空结构的条件。冯·诺依曼的深奥研究正处于这一进展的核心。

“人们以前对它有点害怕，”阿姆斯特丹大学的物理学家安东尼·斯佩兰扎（Antony Speranza）说道。但“它似乎确实为你提供了一些代数工具，可以让你看到时空正在形成。”

涌现的涌现

春天时，我乘火车前往新泽西州普林斯顿，来到高等研究院的牧场式校园。这是冯·诺依曼开发算子代数数学的地方，也是爱因斯坦移民美国后度过余生的地方，他们都是该研究院第一代教授中的成员。今天这里仍然是基础研究的主要中心。我的第一站是胡安·马尔达塞纳( Juan Maldacena)的办公室，他是当今最受尊敬的理论家之一。

1997年，这位阿根廷物理学家首次揭示了时空涌现的最著名例子——一种神秘的关系，被称为 AdS/CFT 对应(AdS/CFT correspondence)。“它为你提供了一个明确的时空涌现模型，”马尔达塞纳告诉我。

这种对应关系展示了一种令人惊叹的量子现象(quantum conspiracy, 阴谋？)。

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