時(shí)空是平滑的，還是充滿泡沫的“粒子湯”？

北京時(shí)間5月2日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)是什么？時(shí)空，也就是宇宙的四維結(jié)構(gòu)，在最微小的尺度上到底是平滑的，還是以別的形式存在？這些問題觸及了物理學(xué)最基本理論的核心，而一項(xiàng)新的研究試圖找到問題背后的答案。

我們似乎不可能對(duì)時(shí)空本質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，但憑借先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，研究人員得以透過(guò)數(shù)十億光年的距離，向宇宙深處窺視，或許這將帶來(lái)對(duì)時(shí)空的全新理解。

愛因斯坦的廣義相對(duì)論是我們理解萬(wàn)有引力的唯一途徑，通過(guò)繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算，我們對(duì)所謂的“時(shí)空”有了一定了解。這是一個(gè)由四維結(jié)構(gòu)（三維空間和一維時(shí)間）交織而成的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。在相對(duì)論的語(yǔ)言中，物質(zhì)和能量會(huì)使織物般的時(shí)空結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲和扭曲，作為回應(yīng)，時(shí)空的彎曲和扭曲也決定著物質(zhì)和能量如何移動(dòng)，這就是我們共同體驗(yàn)到的“引力”。

為了讓廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)原理起作用，這個(gè)時(shí)空結(jié)構(gòu)必須在最小尺度上絕對(duì)平滑。不管你把鏡頭拉近多遠(yuǎn)，時(shí)空都將像一件新熨過(guò)的襯衫一樣沒有褶皺。時(shí)空沒有洞，沒有裂痕，沒有纏結(jié)，一切都是那么純粹、干凈和平滑。如果沒有這種平滑性，引力的數(shù)學(xué)運(yùn)算就會(huì)立即崩潰。

然而，廣義相對(duì)論并不是唯一描述時(shí)空的理論，我們還有量子力學(xué)（以及其繼承者，量子場(chǎng)論）。在量子世界里，一切微觀的事物都是由隨機(jī)的可能性或概率決定的。粒子可以在一瞬間出現(xiàn)和消失（通常比你想象的“一瞬間”短得多）；能量場(chǎng)可以憑自己的“意志”搖擺和振動(dòng)，沒有什么是永遠(yuǎn)確定的。

各種各樣的理論預(yù)測(cè)，如果時(shí)空確實(shí)是塊狀的，那么光速就可能不是完全恒定的，而可能根據(jù)光的能量發(fā)生微小的變化。高能量的光具有較短的波長(zhǎng)，當(dāng)波長(zhǎng)變得足夠短時(shí)，就可以“看到”塊狀的時(shí)空。想象一下你走在人行道上的情景：如果你的腳很大，那你就不會(huì)注意到任何微小的裂縫或凸起；但如果你的腳很小，你就會(huì)被路面上每一處不平整的地方絆倒，減慢速度。但是，這種變化非常微??；如果時(shí)空是離散的，那其表現(xiàn)尺度很可能比我們目前在最強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到的還要小十億倍。

因此，正如物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）在1960年指出的那樣，如果我們把時(shí)間縮小到盡可能小的尺度（所謂的普朗克長(zhǎng)度，1.616252×10^?35 米），時(shí)空看起來(lái)就不應(yīng)該是平滑的。相反，時(shí)空應(yīng)該是一團(tuán)翻滾、沸騰的東西，可以看作一團(tuán)充滿泡沫的“粒子湯”，不斷地在時(shí)空中撕裂出孔洞，然后在宏觀世界的任何人注意到之前將孔洞修補(bǔ)起來(lái)。

問題在于，這兩種時(shí)空觀不可能同時(shí)是正確的。要么廣義相對(duì)論是正確的，時(shí)空是平滑的；要么量子力學(xué)是正確的，時(shí)空是塊狀的。物理學(xué)家認(rèn)為，最終的答案可能在于這兩種觀點(diǎn)的結(jié)合，即所謂的量子引力。當(dāng)然，我們目前還不知道最終的答案是什么。如果可以打開時(shí)空，看看最微小的尺度，那我們或許能得到一些線索。

如果時(shí)空真的充滿了泡沫并且不斷翻滾，那么任何通過(guò)時(shí)空的物體應(yīng)該都會(huì)受到影響。例如，一束光將會(huì)在路徑中遇到各種微觀的顛簸。在普朗克尺度上，光束的路徑更像一條礫石路，而不是平坦的高速公路。有時(shí)，這些微小的碰撞會(huì)給光一個(gè)推力，推高其能量水平；有時(shí)，光會(huì)遇到一個(gè)微小的減速帶，使其速度減慢。最終的結(jié)果是，當(dāng)光束在充滿泡沫的時(shí)空中傳播時(shí)，會(huì)以能量的形式緩慢鋪開。

這種效應(yīng)非常微小，令人難以置信，我們也不可能在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。不過(guò)幸運(yùn)的是，大自然可以為我們提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。如果我們能在太空中找到一束完好的連續(xù)光束（換言之，一束自然的空間激光），而這束光束經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的時(shí)間剛好被地球上的望遠(yuǎn)鏡捕捉到，那我們就可以測(cè)量其攜帶的能量，并以此來(lái)測(cè)量時(shí)空的“起泡性”。

一組天文學(xué)家正是這么做的，他們將研究結(jié)果向（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）投稿，同時(shí)也發(fā)布在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上。巧合的是，他們用來(lái)搜索時(shí)空的工具便是“ESPRESSO”（與濃縮咖啡的英文同名），其全稱為“用于巖石系外行星和穩(wěn)定光譜觀測(cè)的階梯攝譜儀”（Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations）。該儀器安裝在歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）上。

正如“ESPRESSO”這個(gè)名字所暗示的那樣，盡管該儀器的設(shè)計(jì)初衷并非為了尋找“時(shí)空泡沫”，但它最終成為了這項(xiàng)工作的最佳工具。天文學(xué)家將其指向一個(gè)完美的源頭：一團(tuán)位于180億光年之外的氣體云?？此破椒矡o(wú)奇，但這團(tuán)氣體云卻能發(fā)揮重要作用。這是因?yàn)椋菏紫?，在它的后面有一個(gè)明亮的光源，照亮了它；其次，氣體云中存在鐵原子，能以特定的波長(zhǎng)吸收背景光。

因此，從地球上的我們看來(lái)，如果時(shí)空是完全平滑的，那么由氣體云導(dǎo)致的背景光間隙應(yīng)該和氣體云就在我們旁邊時(shí)一樣狹窄。但是，如果時(shí)空是泡沫狀的，那么在數(shù)十億光年范圍內(nèi)傳播的光將會(huì)擴(kuò)散開來(lái)，改變間隙的寬度。

天文學(xué)家沒有發(fā)現(xiàn)任何時(shí)空存在“泡沫”的跡象，但這并不意味著時(shí)空的“起泡性”不存在。這只是意味著，如果時(shí)空存在“泡沫”，那我們需要超過(guò)180億光年才能用目前的技術(shù)觀測(cè)到它。不過(guò)，這些研究結(jié)果已經(jīng)足以排除一些量子引力模型，將它們?nèi)舆M(jìn)了物理學(xué)史上眾所周知的垃圾箱。

如果未來(lái)的實(shí)驗(yàn)確實(shí)發(fā)現(xiàn)了時(shí)空“泡沫”的證據(jù)呢？毫無(wú)疑問，這將成為我們進(jìn)入量子引力世界的第一個(gè)窗口，這也是物理學(xué)家自20世紀(jì)50年代以來(lái)一直在尋找的東西。