用來證明量子引力不可能具有任何全局對稱性的圖表。對稱，如果存在，隻能作用于圖中的陰影區域，不會引起中間黑點周圍的變化。通過越來越多地劃分邊界圓，陰影區域可以變得盡可能小。因此，所謂的對稱不會在圓的任何地方發生作用。如果你想全面描述宇宙在基本層面上是如何運作的，你必須從兩種不同的、不相容的角度來看待它。要描述粒子及其電磁和核相互作用，你需要使用量子場論(QFT)的框架，量子場滲透到宇宙中，它們的激發産生我們所知的粒子。要描述物質和能量的每一個量子如何在宇宙中運動，我們需要廣義相對論(GR)的框架，其中物質和能量定義時空如何彎曲，彎曲時空告訴物質和能量如何運動。

然而，這兩種理論是相互矛盾的，為了讓它們協同工作，我們需要發展量子引力的工作理論。然而，量子引力不對稱是什麼意思？這是一個具有重大意義的迷人發現。讓我們來看看這是什麼意思。

• ​費曼圖(上圖)基于點粒子及其相互作用。将它們轉換成弦理論類似物，就會産生具有非平凡曲率的曲面。在弦理論中，所有的粒子隻是一種基本結構的不同振動模式：弦。但是，弦理論所期望的量子引力理論，是否具有對稱性，以及守恒定律？

當你聽到“對稱”這個詞時，腦海中可能會浮現出各種各樣的畫面。字母表中的一些字母——比如“A”或“T”——顯示出對稱性，如果你沿着它們的中心畫一條垂直線，它們的左右兩邊是對稱的。其他字母，如“B”或“E”，也有類似的對稱性，但方向不同：水平方向，上下對稱。還有一些——比如“O”——具有旋轉對稱性，無論你旋轉多少度，它的外觀都是不變的。

這是一些對稱的例子，很容易看出來，但它們不是詳盡的。當然，有些系統與它們的鏡像沒有區别，這被稱為奇偶對稱。另一些證明了旋轉對稱性，無論你從哪個角度看它。但是還有很多其他的，都是至關重要的。

• ​字母表中有許多字母具有特殊的對稱性。注意，這裡顯示的大寫字母隻有一行對稱；像“I”或“O”這樣的字母不止一個。有些系統對于物質和反物質是一樣的：它們表現出電荷共轭對稱性。

有些系統遵循同樣的規律，如果你在時間上向前進化，它們也會遵循同樣的規律，如果你在時間上向後進化，它們也會遵循同樣的規律：時間反轉對稱性。還有一些不依賴于物理位置(平移對稱)或你什麼時候觀察系統(時間平移對稱)或你所處的非加速參考系(洛倫茲對稱)。

• ​激光帆的概念依賴于一個大的激光陣列打擊和加速一個相對較大的面積，低質量的航天器。這有可能将非生命體加速到接近光速的速度，使人類在一生中就能進行星際旅行。當物體移動一定距離時，激光所做的功是能量從一種形式轉移到另一種形式的一個例子。加速參考系是非慣性系的一個例子；對于這些系統，洛倫茲對稱并不嚴格成立。

不僅僅是物理系統能夠遵循(或違背)對稱。隻要你有一個方程(或者一般的定量理論)，你就可以測試它們，看看它們遵守哪些對稱性，哪些不遵守。

例如，在各種量子場論中，受到電磁力作用的粒子服從奇偶性、電荷共轭和時間反轉對稱性，這些都是相互獨立的。無論粒子的運動方向如何，它們的電磁是相同的；粒子和反粒子也是如此；在時間上向前和向後是一樣的。

另一方面，受到弱核力作用的粒子會分别違反奇偶性、電荷共轭和時間反轉。左介子衰變與右介子不同。中性介子和中性反介子具有不同的性質。b介子衰變具有時間不對稱的轉化速率。但即使是弱相互作用也遵循這三種對稱的組合：如果對一個在時間上向前運動的粒子和一個反粒子進行實驗，反粒子的運動在時間上向後運動，會得到相同的物理結果。

• ​反粒子的粒子變化和反粒子在鏡子中的反射同時代表CP對稱。如果反鏡衰減不同于正常衰減，則違反CP。如果CP違反時間反轉對稱性，則稱為T。C、P和T的組合對稱性，所有在一起，必須在我們現有的物理定律下保持守恒，并對相互作用的類型進行暗示，這些相互作用是允許的，也是不允許的。

在GR中，不同的空間時間遵循不同的對稱性。描述非旋轉黑洞的史瓦西時空具有時間平移、鏡像和完全旋轉對稱性。描述旋轉黑洞的時空表現出時間平移對稱性，但隻有圍繞一個軸的旋轉對稱性。另一方面，描述膨脹的宇宙的時空有很多對稱性，但時間平移不是其中之一：膨脹的宇宙在不同的時間點是不同的。

• ​如果你有一個不變的靜态時空，能量守恒就得到了保證。但是如果空間結構随着你感興趣的物體的運動而改變，在廣義相對論下就不再有能量守恒定律了。

總的來說，這些對稱對我們理解宇宙是極其重要的，并且對現實有着巨大的影響。你看，在物理學和數學的交叉點上有一個絕妙的定理，它表述了如下内容：物理理論所展示的每一個獨特的數學對稱性，都必然意味着一個相關的守恒量。這個定理——以其發現者、無與倫比的數學家埃米·諾特的名字命名為諾特定理——是某些量守恒或不守恒的根源。

時間平移對稱性導緻能量守恒，這就解釋了為什麼能量在膨脹的宇宙中不守恒。空間平移對稱性導緻動量守恒；旋轉對稱導緻角動量守恒。甚至CPT守恒——電荷共轭、奇偶性和時間反轉對稱性都結合在一起——也是洛倫茲對稱的結果。

• ​量子引力試圖将愛因斯坦的廣義相對論與量子力學結合起來。經典引力的量子修正被可視化為回路圖，如圖所示。空間(或時間)本身是離散的還是連續的還沒有定論，就像重力是否被量化的問題一樣，或者粒子，正如我們今天所知道的，是否是基本的。但是如果我們希望有一個關于萬物的基本理論，它必須包括量子化場。

某些對稱性是特定量子場論或一般量子場論固有的，某些對稱性是GR或一般GR中的特定解決方案固有的。但是這兩種對宇宙的描述都是不完整的。對現實有很多問題可以問，需要我們理解發生了什麼，引力是重要的或者時空的曲率是極強的，而且當距離尺度非常小或者單個量子效應在起作用(我們需要QFT)。

這些問題包括：

1. 當電子穿過雙縫時，它的引力場會發生什麼變化？
2. 如果黑洞的最終狀态是熱輻射，那麼形成黑洞的粒子的信息會發生什麼變化？
3. 引力場/力在奇點及其周圍的行為是什麼？

要解決這些問題，GR和QFT單獨是不夠的。我們需要更多的東西：在量子層面上理解重力。

​

• 全息圖是一個二維的表面，它包含了關于整個三維物體的信息。全息原理的概念是我們的宇宙和描述它的量子場理論定律是包含量子引力的高維時空的表面。

當然，我們沒有量子引力的工作理論，或者我們能夠理解它的對稱性。但即使沒有一個完整的理論，我們也有一個巨大的線索：全息原理。正如二維全息圖在其表面編碼三維信息一樣，全息原理允許物理學家将N維時空中發生的事情與N-1維共形場理論聯系起來：AdS/CFT對應。

AdS代表反德西特空間(anti-de Sitter space)，在弦理論的背景下，反德西特空間經常被用來描述量子引力，CFT代表保角場理論(conformal field theory)，比如我們用來描述四種基本相互作用中的三種的量子場論。雖然沒有人确定這是否适用于我們的宇宙，但有很多很好的理由認為它适用。

• ​在标準模型中，中子的電偶極矩預計比我們的觀測極限大100億倍。唯一的解釋是，某種超越标準模型的東西在強相互作用中保護了CP對稱性。我們可以在科學上證明很多東西，但永遠無法證明CP在強相互作用中是守恒的。這太糟糕了;我們需要更多的cp違逆來解釋宇宙中物質反物質的不對稱性。如果AdS/CFT通信是正确的，則不可能存在全局對稱。

新的結果是：在AdS/CFT框架内，不存在全局對稱性。這篇論文發表于2019年5月17日，題目是《全息術對對稱性的限制》，作者是丹尼爾·哈洛。特别是，它再次表明，在AdS/CFT的背景下，以下三個猜測是正确的。

1. 量子引力不允許任何類型的全局對稱性。
2. 量子引力要求任何内部規範對稱(這意味着守恒定律，如電荷、顔色電荷或弱等旋)在數學上都是緊密的。
3. 量子引力要求任何内部規範對稱都必須伴随着以所有不可約表示形式變換的動力物體。每一個都值得詳細闡述，但第一個是最強大和深刻的。

• ​如果一個理論不是相對不變的，那麼不同的參照系，包括不同的位置和運動，将會看到不同的物理定律(并且在現實中也會産生分歧)。在速度變換下具有對稱性，這一事實告訴我們，有一個守恒量：線性動量。當動量不僅僅是一個與粒子有關的量，而是一個量子力學算符時，這就更難理解了。如果全息原理是正确的，這種對稱性就不可能在全球範圍内存在。

這三個猜想都存在了很長時間，但它們都不是嚴格意義上的QFT或GR(或任何形式的經典物理學)。事實上，所有這些經典論點都植根于黑洞物理學，并且都需要某些假設，如果違反這些假設，就會出現各種各樣的漏洞。但是如果AdS/CFT的對應關系是正确的，全息原理也适用于我們宇宙中的量子引力，那麼這三個猜想都是正确的。

第一個意思是沒有守恒定律總是成立的。可能有很好的近似守恒定律仍然有效，但沒有任何東西——不是能量，不是電荷，不是動量——在所有條件下都是明确或嚴格守恒的。甚至可以違反CPT和洛倫茲不變性。另外兩種則更為微妙，但有助于将全球對稱性擴展到局部條件：它們阻止了電荷在一個位置瞬間隐形傳輸到另一個斷開連接的位置，并要求存在該理論允許的所有可能電荷，比如磁單極子。

• ​1982年，在布拉斯·卡布雷拉的領導下進行了一項實驗，一項有8圈導線的實驗，探測到8個磁子的磁通變化：磁單極子的迹象。不幸的是，在檢測時沒有人在場，而且從來沒有人複制這個結果或發現第二個單極子。盡管如此，如果弦理論和這個新結果是正确的，磁單極子，沒有任何法律禁止，一定在某種程度上存在。

被證明适用于全息宇宙的三個量子引力猜想，自1957年以來一直以某種形式存在，但直到現在它們還隻是猜想。如果全息原理(以及AdS/CFT，以及延伸開來的弦理論)是正确的，那麼所有這些猜想都必然是正确的。沒有全局對稱性，在所有可以想象的情況下，宇宙中沒有任何東西總是守恒的(即使你需要達到普朗克尺度才能看到違規)，而且所有非禁帶電荷都必須存在。這對于我們理解量子宇宙将是革命性的。

我們不知道全息原理是否正确，或者這些關于量子引力的假設是否正确。然而，如果它是正确的，那就意味着，一旦你把引力包括在内，我們在今天所熟知的物理學中所珍視的對稱性就不再是全局性的、基礎性的了。矛盾的是，如果弦理論是正确的，我們對隐藏對稱性的期望在更基本的層面揭示了它們自己，這不僅是錯誤的，而且自然界根本就沒有全局對稱性。

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