时空是平滑的还是充满泡沫的“粒子汤”?

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新浪科技讯 北京时间5月2日消息,据国外媒体报道,现实的本质是什么?时空,也就是宇宙的四维结构,在最微小的尺度上到底是平滑的,还是以别的形式存在?这些问题触及了物理学最基本理论的核心,而一项新的研究试图找到问题背后的答案。

我们似乎不可能对时空本质进行测量,但凭借先进的望远镜,研究人员得以透过数十亿光年的距离,向宇宙深处窥视,或许这将带来对时空的全新理解。

终极织网

爱因斯坦的广义相对论是我们理解万有引力的唯一途径,通过繁琐的数学运算,我们对所谓的“时空”有了一定了解。这是一个由四维结构(三维空间和一维时间)交织而成的统一结构。在相对论的语言中,物质和能量会使织物般的时空结构发生弯曲和扭曲,作为回应,时空的弯曲和扭曲也决定着物质和能量如何移动,这就是我们共同体验到的“引力”。

为了让广义相对论的数学原理起作用,这个时空结构必须在最小尺度上绝对平滑。不管你把镜头拉近多远,时空都将像一件新熨过的衬衫一样没有褶皱。时空没有洞,没有裂痕,没有缠结,一切都是那么纯粹、干净和平滑。如果没有这种平滑性,引力的数学运算就会立即崩溃。

然而,广义相对论并不是唯一描述时空的理论,我们还有量子力学(以及其继承者,量子场论)。在量子世界里,一切微观的事物都是由随机的可能性或概率决定的。粒子可以在一瞬间出现和消失(通常比你想象的“一瞬间”短得多);能量场可以凭自己的“意志”摇摆和振动,没有什么是永远确定的。

各种各样的理论预测,如果时空确实是块状的,那么光速就可能不是完全恒定的,而可能根据光的能量发生微小的变化。高能量的光具有较短的波长,当波长变得足够短时,就可以“看到”块状的时空。想象一下你走在人行道上的情景:如果你的脚很大,那你就不会注意到任何微小的裂缝或凸起;但如果你的脚很小,你就会被路面上每一处不平整的地方绊倒,减慢速度。但是,这种变化非常微小;如果时空是离散的,那其表现尺度很可能比我们目前在最强大的实验中探测到的还要小十亿倍。

因此,正如物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)在1960年指出的那样,如果我们把时间缩小到尽可能小的尺度(所谓的普朗克长度,1.616252×10^−35 米),时空看起来就不应该是平滑的。相反,时空应该是一团翻滚、沸腾的东西,可以看作一团充满泡沫的“粒子汤”,不断地在时空中撕裂出孔洞,然后在宏观世界的任何人注意到之前将孔洞修补起来。

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