时空泡沫（spacetime foam），是惠勒（John Wheeler）1915年根据量子力学提出的概念，所以又叫惠勒泡沫。
在广义相对论中，爱因斯坦将时空描述为在根本上是光滑的，只有在受到能量或物质的作用下才会发生扭曲。然而一些量子物理学家们对此持有不同意见，他们认为时空并不是连续的，而是由大量微小的粒子组成的，这些粒子不断出现和消失。
科学家发现量子理论应用于尽可能小尺度的空间，此时空间本身就变得不稳定，无法保持连续性，在受到扰动后形成时空泡沫，换句话说这些时空泡沫可自发形成。
量子泡沫是极小尺度（普朗克长度量级）下量子振荡的定性描述。在这么小的时空尺度下，不确定关系使粒子和能量瞬间产生，然后瞬间湮灭。随着我们讨论时空尺度的缩小，虚粒子能量将增加。根据爱因斯坦的广义相对论，能量将使时空弯曲，这意味着足够小尺度下能量的“泡沫”式涨落将大到足以在较大尺度下观测到相对平滑时空的显著偏离。但我们必须有一个量子引力理论才能指出在什么样的尺寸下才能出现这样的量子泡沫，现有的各种量子理论不能精确地描述这么小尺度下的物理。
量子泡沫被认为是由非常高能量的虚粒子产生的。虚粒子概念出现于量子场论中，当粒子发生相互作用时，虚粒子短暂地产生并湮灭；尽管虚粒子从未被实际观测到，但根据虚粒子概念预言的效应被实际观测到了。虚粒子可被认为在真空中短暂地产生并湮灭，这种真空涨落会影响真空的性质，导致非零能量即真空能的存在；按量子力学概念，这是一种零点能。
时空，也就是三维空间乘以时间，看起来是平滑而不具备任何结构的。然而科学家用量子力学理论预测，时空不是平滑的，它像泡沫一样，不断地波动着，包含许多小的、不断变化的部分——在这里空间与时间并没有明确的界限，而是不断变换的。这就是所谓的时空泡沫。
“理解时空泡沫的一种方法是想象你坐在飞机上飞越海洋，海洋看起来是完全平滑的。但是，如果飞机飞得足够低，你可以看到波浪，再低一些，你就可以看到泡沫，以及泡沫里不断颤动的微小气泡。”佛罗里达理工大学的埃里克·伯尔曼说，“而我们的研究，就像坐在一架飞得极高的飞机上，试图观察那些原子级别的泡沫。”
科学家曾预测，时空泡沫大概是氢原子核直径的亿分之一，因此它是无法被直接探测到的。然而，如果时空确实具有泡沫性结构，而且这些泡沫是不断变化的，那么它们的大小应该是有边界的，因为只有这样，距离才可以被测量。
也有科学家使用对遥远类星体的X射线和伽马射线的观测结果来检验时空泡沫的理论模型。他们假设，对于穿越数十亿光年的光源来说，距离不确定性的积累，会导致这个光源影像质量下降，以至于这种物质无法被探测到，而影像消失之时的波长受所使用的时空泡沫理论模型影响。
钱德拉X射线天文台对数十亿光年以外的类星体的观测排除了一种理论模型。这种理论模型认为光子在时空泡沫中随机扩散，就像光在雾中扩散一样。费米伽马射线太空望远镜以及VERITAS对类星体较短的伽马射线光波的探测证明，第二种所谓的“宇宙全息模型”也行不通。
“我们发现这些数据可以排除关于时空泡沫的两种理论。”项目参与者、北卡罗来纳州立大学的杰克·尼格说。他们的研究发现，时空并不像一些理论模型预测的那样泡沫化——时空泡沫的直径大约是氢原子核的千分之一，比之前预测的要大得多。
多重宇宙存在的可能性是由宇宙膨胀理论提出的。观点认为宇宙在大爆炸后一秒分之几的瞬间以指数方式增长，膨胀速度远超过光速。该理论的有些版本认为宇宙的某些区域膨胀速率超过其它区域，从而产生了单独的时空泡沫，或可能发展出自己的单独宇宙。
密歇根理工大学科学家罗伯特·涅米洛夫(Robert Nemiroff)表示：“如果这种泡沫真的存在，那么其粒径必定要小于普朗克长度，这就可能意味着需要涉及其它的物理学领域。”所谓普朗克长度是一种几乎小到难以置信的长度单位，其具体数值大约相当于一颗氢原子直径的万万亿分之一。
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