新智元報道
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【新智元導讀】現有的時空結構可能並不是物理世界的最基礎組成，它們可能只是某種更深層次事物的近似。一篇發表於Quanta Magazine的文章提出了三個思想實驗來支援這一觀點。這些實驗表明，在極端條件下，我們所熟知的時空結構可能會失效。如果真是這樣，我們可能需要用更基礎的理論來重新描述物理世界。
9月25日，一篇名為《The Thought Experiments That Fray the Fabric of Space-Time》的論文發表在了Quanta Magazine上。文章探討了關於時空結構的一些思想實驗，這些實驗挑戰了我們對宇宙的基本理解。
文中指出，我們所居住的宇宙的時空結構似乎並不是無法再進一步分解的最基礎單位，而是某種更深層次事物的近似。
隨著物理學家總結出對現實進一步理解的更基本單位，現有的時空結構概念最終將被取代。
文中提出了3個思想實驗來論證這一觀點。
這些思想實驗表明，我們所居住的宇宙的時空結構在極端情況下可能會崩潰。如果確實如此，我們可能需要一種更深層次物質的物理描述——它不會崩潰，並且由更基本的構造單元組成。
思想實驗1：縮小對時空的觀察
這個思想實驗分析了物理定律在越來越小的距離尺度下的表現。
物理學家透過讓粒子相互碰撞來研究物理定律。粒子具有波的性質，它們的能量越高，波長就越短。
波長越短，粒子相互作用的區域就越小。
因此，要在更小的距離上研究物理世界的基本構造與規律，需要能量更高、波長更短的粒子。
然而，如果粒子的碰撞在足夠小的區域內聚集了足夠多的能量，粒子會形成一個黑洞，永遠無法到達探測器。
所以存在一個最小距離——稱為普朗克長度——低於這個尺度，我們無法獲取資料。
綜上所述，如果在普朗克尺度以下無法進行任何測量，那麼或許，我們所理解的時空在這個尺度上並不存在。
思想實驗2：進行區域性測量
這個思想實驗探討了「測量時空中任何物體的任何物理屬性」的可能性。
由於粒子的量子漲落，所有測量都不可避免地存在一定的不確定性。
隨著粒子數量的增加，這種不確定性迅速減小，因此在日常物體中幾乎察覺不到——即便是實驗人員也很難注意到。
但這種不確定性始終存在。為了減少測量的不確定性，我們需要一個自身不確定性更小的測量裝置，因此裝置必須包含更多的粒子。
然而，裝置的密度只能增加到一定程度，超過這個限度就會形成一個黑洞。因此，我們無法精確測量所需的物理屬性。
綜上所述，我們可能無法精確定義時空中物體的物理屬性，因此或許存在某種其他層次的組織結構是精確且真實的。
思想實驗3：儲存資訊
這個思想實驗探討了「在一個固定的時空區域中儘可能多地儲存資訊」後，可能發生的情況。
首先，想象在一個區域內——比如一間房間——放滿書籍。書頁上可以記錄多少資訊？
接著，試試更高密度的儲存介質：儲存數字資訊的硬碟。這個區域現在能容納多少資訊？
我們還能儲存更多嗎？想象一下宇宙中最好的資訊儲存裝置。或許這樣的「超級硬碟」可以將資訊編碼在中子星物質中——這是已知密度最高的物質。現在這個區域可以容納更多的資訊。
不過，再多裝入一個位元組時，某種劇烈的事情會發生。這個房間會坍縮成一個黑洞。
事實證明，黑洞是資訊的最密集容器。但它們能容納多少資訊呢？
奇怪的是，根據1970年代雅各布·貝肯斯坦和斯蒂芬·霍金的計算，這個量取決於黑洞的表面積——而不是它的體積。這可能意味著黑洞「內部」發生的任何事件都記錄在其表面上。
綜上所述，或許黑洞——乃至所有時空區域——都是存在於某種未知性質的二維表面上的資料全息圖。
參考資料：
https://www.quantamagazine.org/the-thought-experiments-that-fray-the-fabric-of-space-time-20240925/
