如果时空是超流体？

中科院物理所 2016-11-27

　　横看成岭侧成峰，远近高低各不同，不识庐山真面目，只缘身在此山中。

　　我们人类天生对自己生存的周围感到好奇，勇于探索身在其中的奥秘。江河湖泊，高山峻岭，人类对身在其中的最大好奇，恐怕就是身在的宇宙本身。上下四方为宇，古往今来为宙，我们对宇宙的认知最基本的框架概念则是空间和时间，宇宙中的所有事物皆在时间和空间这个背景下发生。但我们也很清楚，时间和空间给人的感觉是如此的不同，他们真的是同一回事的东西吗？时空究竟是什么？他们长什么样？要解答我们身处的时空的这些问题，我们需要借助能够给予时间和空间进行描述和测量的理论和方法。

　　相对论及其发展的现代宇宙论，给人们认知时空本质提供了一个从宏观上的认知的途径。在广义相对论里面，时间和空间被视为统一的流形，称之为时空。时空不仅只作为物质运动的背景存在，而是在等效原理的作用下，受引力效应的影响有着自己特有的运动形式，如：引力波，惯性系拖拽等。

　　广义相对论最经典的时空效应描述，莫过于对于“引力波”的预言了。有质量物体的某些运动过程会产生引力波，附近的时空会被激发出波纹，经由时空本身传递出去。引力波本身是就像水波是水面扭曲形成的水波一样，时空和水面，都是波的传播介质。由于引力本身是非常弱的力，通常引力波的产生非常困难。地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进，发出的引力波功率仅为200瓦，还不如家用电饭煲功率大，所以我们很难探测到引力波。只有宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波，有可能被我们所捕捉到。2016年2月11日，美国的“激光干涉引力波天文台”（LIGO）宣布直接探测到了13亿光年之外的两颗黑洞在并合阶段产生的引力波。这个结果证明了“引力波”的预言，同时也更加确认了时空会受到引力作用的证据。

　　如果将时空视为运动的背景，它会被在其中运动的物质的运动和变化所影响，这样的一种性质非常接近于各种常见物理介质的表现，比如水。当我们观察鱼缸中的鱼时，鱼缸的水的形态和运动，会受其中的鱼的游动所影响而变化。因此时空作为一种介质，合理的判断是，时空本身作为宏观结构，必定有着微观的精细结构，正如水是由水分子这种微观精细结构组成的一般。要研究时空的微观结构，则必须涉及到量子理论，即从普朗克尺度上看时空，为了做到这一点，科学家开始将引力理论和量子理论结合起来，形成量子引力论。

　　事实上现代宇宙学的一些发现，已经在驱动量子引力论的前进。近10多年来，影响现代宇宙学最大的发现，莫过于获得2011年诺贝尔物理学奖的暗能量的发现。暗能量是一种能推动空间膨胀的力量，效应上和引力是刚好相反的。暗能量的发现，让人们对于时空真实的面貌有了更多的猜测。一种猜测是暗能量是零点真空能，这个猜测是纯基于量子涨落的理论，认为即便是在“不存在任何物质的空间状态”，但是由于量子效应，空间中不断的产生虚粒子对涨落，不断有粒子对产生、消失，从而产生真空能量。

　　应该说从卡西米尔效应来看真空能是存在的，但是现有的研究的真空能解释不了暗能量。最对称的真空能计算估计的结果和暗能量差了10^120倍左右，120个数量级的差别。而即便引入一些对称性消掉很多的真空能，但依然和暗能量差很多个数量级。因此很显然，暗能量必定不只是空间中的量子涨落，而应该是揭示了时空的一些内在属性，它让人们了解到，时空除了能被引力效应影响外，更有自己内禀属性产生运动能量和效应。这种结果，真的令人不禁想象，真空中真的“有些什么”。

　　一种量子引力的理论认为，时空本身可能是一种“液态的超流体”，称为“超流体真空论”（SVT）。这个理论非常新，但思想内核还是类似的，在这种理论的框架下面，时空就像是某种“经典”物体介质，是一种整体，是由量子化的微观小“时空”碎片组成的，简单讲就是把“真空”看做是一块巨大的材料。这是一个可以把时空统一为物质的思路。事实上，1950年狄拉克就提出了“真空以太”的概念，SVT可以看做是狄拉克这个洞见的进一步发展和细化。既然是材料，材料响应的研究方法和属性，SVT这边计算了时空这种“流体”究竟有多么粘稠，结果是，他们发现这一粘稠度几乎为零。粘稠度为零，在材料学中是一种超流动性，这也是为什么SVT被称为“超流体真空论”的原因。