宇宙新发现——无限“天球”的对称性，揭示了全息宇宙的线索

• 研究人员长期以来一直在研究重力是如何从二维曲面中出现的，比如这个双曲空间。在我们的宇宙中，表面是无限的。

自从牛顿遇到苹果以来，我们就已经知道了万有引力，但我们仍在努力弄清楚它的意义。其他三种自然力（弱核力、强核力、电磁力）都是由于量子场的活动产生的，而物理学最成功的理论之一（相对论）将引力描述为弯曲的时空（引力即几何）。几十年来，物理学家一直试图用量子场论来描述引力，但都没有完美地解决这个问题。

这些“尝试”中最有希望的一种是将引力视为某种类似全息图（ hologram）的东西——一种从平面二维表面跳出来的三维效果。目前，这种理论的唯一具体例子是AdS/CFT对应，其中一种特殊类型的量子场论，称为保角场论(CFT)，在所谓的反德西特(AdS)空间中产生了引力。在AdS空间奇异的曲线中，有限的边界可以封装无限的世界。该理论的发现者胡安·马尔达塞纳称其为“瓶子里的宇宙”。

但我们的宇宙不是一个瓶子。我们的宇宙（很大程度上）是平的。任何能容纳我们扁平宇宙的瓶子都必须在空间和时间上是无限遥远的。物理学家称这种宇宙为“天球”（一个想像假设的无限大球体）。

物理学家想要确定CFT的规则，CFT可以在没有AdS空间曲线的世界中产生引力。他们在寻找平坦空间的CFT——天球中的CFT。

天球中的CFT比相应的AdS/CFT理论更有野心。由于它在一个无限半径的球体中，空间和时间的概念就不成立了。因此，CFT不依赖于空间和时间；相反，它可以解释空间和时间是如何形成的。

最近的研究成果给了物理学家们希望，他们的研究方向是正确的。这些结果使用基本对称性来约束CFT可能的样子。研究人员在这些对称性之间发现了一组令人惊讶的数学关系——这种关系之前在某些弦理论中出现过，这导致一些人怀疑这种联系是否不仅仅是巧合。

球体的对称性

也许物理学家探测自然基本力的主要方法是将粒子碰撞，看看会发生什么。术语叫作“散射”。在大型强子对撞机等设备中，粒子从遥远的地方飞进，相互作用，然后飞向探测器。

如果这种相互作用是由除万有引力之外的这三种力中的任何一种控制的，物理学家们原则上可以用量子场论计算出这些散射问题的结果。但许多物理学家真正想了解的是引力。

幸运的是，史蒂文·温伯格在20世纪60年代指出，某些量子引力散射问题——涉及到低能引力子的问题——是可以计算出来的。哈佛大学的莫妮卡·佩特说，在这种低能量极限下，“我们已经锁定了这种行为。”

量子引力再现了广义相对论的预言。

它们通过寻找对称性来做到这一点。在散射问题中，物理学家计算散射的产物——“散射振幅”——以及当它们撞击探测器时应该是什么样子。在计算出这些振幅之后，研究人员寻找粒子在探测器上形成的模式，这些模式对应于散射过程必须遵守的规则或对称性。对称性要求如果对探测器应用某些变换，散射事件的结果应该保持不变。

正如量子相互作用可以转化为散射振幅，从而导致对称性一样，研究量子引力的研究人员希望将散射问题转化为天球上的对称性，然后使用这些对称性来填充天球中的CFT规则手册。

11月，哈佛大学的Andrew Strominger领导的一个小组发表了一篇论文，描述了天球中CFT必须遵守的“对称代数”。代数规定了不同的对称变换如何结合形成新的变换。他们发现，天球上的一组对称服从一种代数，这种代数已经出现在某些弦理论中，与量子系统（如量子霍尔效应）有关。

无限的问题

当理论适用于一个无限的球体时，问题就出现了。考虑两个粒子在一起又分开。如果它们以任何非零的角度分散开来，当它们到达无限大的天球时，它们也会相距无限大。

距离的概念被打破了。我们的正常理论依赖于局部性，在局部性理论中，物体之间的相互作用的强度取决于它们彼此之间的距离。但是，如果一切都与其他一切无限远，CFT必须超越局部性。

更令人困惑的是：天球上的时间概念是什么，在过去和未来都是无限遥远的？在这里没有意义。

资料来源：quantamagazine