量子引力被认为是理论物理学的圣杯,是高能粒子物理学和广义相对论的最终合并。
这两个理论常被认为是“不兼容”或矛盾的,但这并不完全正确。标准的量子化方法,即将经典场理论转化为量子场理论的过程,与广义相对论的一般形式不兼容。但实际上,标准的量子化方法与许多理论都不兼容。事实上,大多数理论都无法量子化。所有其他基本力和物质能够量子化是这些理论的一个特殊特征。
然而,某些特定条件下的广义相对论(GR)可以通过已知的量子化方法进行量子化。这些特定条件下的广义相对论案例被发现与其他已经被成功量子化的理论存在一种“对偶”关系。在这里,“对偶”意味着两个理论在某种意义上是等价的,即你可以通过研究其中一个理论来获得关于另一个理论的信息和预测。
这些特殊情况的广义相对论存在于一种称为渐近反德西特(AdS)时空的空间中。
渐近空间指的是一个空间在远距离(即在趋向于无限远的极限)表现出某种特定的几何性质或结构。因此一个渐近平坦空间”是指在足够远的距离处,空间的几何结构趋向于平坦,无论它在较小尺度上的结构如何复杂。
地球被描述为“渐近地是一个扁球体”。这是因为,尽管从近距离观察地球表面会看到山脉、海沟等复杂的地形,但如果从足够远的距离(比如从太空)观察,地球的整体形状更接近一个有着中间隆起的扁球体,这个隆起是由于地球的自转造成的赤道膨胀。在这种观察尺度下,局部的地形变化(如山脉)相比于整个地球的形状变得不那么重要,因此可以认为在大尺度上地球的形状是一个扁球体。
一个AdS空间是一个具有恒定负曲率的空间。我们也说它是最大对称的(maximally symmetric)。一个空间如果具有最大对称性,意味着它的几何结构在任何位置看起来都是相同的,而且在任何方向上都是不变的。这种对称性是指,不管你在AdS空间的哪个点,不管你朝哪个方向看,你都会观察到相同的几何性质和物理规律。最大对称性使得AdS空间成为研究对称性原理和对称性破缺机制的理想平台。
负曲率空间通常被称为鞍形,像薯片一样。
然而,薯片并不具有恒定的负曲率。薯片的中心部分(起点)与边缘相比,在几何形态上是不同的。这意味着,如果你从薯片的不同部位观察,会发现曲率是变化的,这与恒定曲率的几何体有本质的区别。
要理解AdS空间,我们必须更多地了解一般的双曲几何。俄罗斯数学家尼古拉·洛巴切夫斯基和匈牙利数学家亚诺什·波利亚在19世纪初发表了第一个非欧几里得几何,他们提出的几何之一是双曲几何(hyperbolic geometry)。M. C. Escher对非欧几里得几何着迷,使用双曲几何绘制了他著名的镶嵌画: