四维无引力量子理论与五维有引力时空

五十年来，粒子物理学的主流理论标准模型，基本上是成功了。问题在于，尽管标准模型取得了成功，但它显然是不完整的。

它不包括引力，长期以来人们一直在寻找量子引力理论来取代广义相对论。它也不能解释暗物质和暗能量，而这两者占宇宙中所有物质的95%。标准模型在中微子有质量这一事实上也有问题，这是它唯一未能预测到的粒子物理现象。此外，标准模型本身规定，超过了某个与普朗克尺度密切相关的高能量阈值，它就会失效。

物理学家们迫切需要实验数据，这些数据可能有助于指导他们建立标准模型的替代品。弦理论仍然是取代标准模型的主要候选者，可是它经常被指责无法用实验验证。然而弦理论提供了一种检验量子引力理论的方法。

弦理论充满了对偶性，不同物理系统之间的关系共享相同的数学结构。也许这些二元性中最令人惊讶和最重要的是一种四维无引力量子理论(即共形场论CFT)，与一种特殊的五维有引力时空(即反德西特空间AdS)之间的联系。

因为CFT比AdS空间少一个维度，所以前者可以被认为是躺在后者的表面上，就像一个三维苹果的二维果皮。然而，表面上的量子理论仍然完全抓住了内部体积的所有特征，就好像你只看苹果的表皮就能知道苹果内部的一切。这是物理学家所说的全息术的一个例子：一个低维空间产生一个高维空间，就像一个平面全息图产生一个三维图像。

在AdS/CFT中，“体积”空间从表面的量子成分之间的关系中出现。具体来说，体积空间的几何结构是由纠缠建立起来的，体块的邻近区域对应于表面高度纠缠的部分，体块的远处区域对应于表面缠结较少的部分。如果曲面具有简单而有序的纠缠关系集，则对应的体积空间为空。如果表面是混乱的，它的所有部分与所有其他部分纠缠在一起，体积将形成一个黑洞。

AdS/CFT是对量子物理学和广义相对论之间联系的深刻和富有成果的洞察，但它实际上并不能描述我们生活的世界。我们的宇宙不是一个五维的反德西特空间，它是一个膨胀的四维空间，具有“平坦”的几何结构。

所以在过去的几年里，研究人员提出了另一种检验量子引力的方法。实验人员可以建立具有像表面的CFT那样的纠缠系统，并寻找任何与出现的时空几何和重力相似的东西。