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广义相对论和量子力学之争:时空的本质到底是什么?

时空是平滑的还是厚实的?这个问题历来已久是两个物理流派之争,但是时空的本质到底是什么呢?我们知道,我们宇宙的四维结构,是三维加上时间,那么时空最终在最微小的尺度上到底是平滑的,还是别的什么?

这似乎是不可能测量的,但随着先进望远镜的力量透过数十亿光年的距离窥视,科学家开始初窥时空的奥秘!

时空:初窥门径

说到时空,我们不得不提到万有引力。时空弯曲的原因就是万有引力造成的,证明时空弯曲的一个最著名的例子就是发生日全食的时侯,掠过太阳表面的星光会发生偏转,也就是说光线被太阳所吸引而引起微小偏转,爱因斯坦认为这就是时空弯曲,而且引力越大,时空弯曲越显著。爱因斯坦的广义相对论是我们理解万有引力的唯一途径,通过这个棘手的数学难题,我们了解了所谓的“时空”,一个四维结构(三维空间和一维时间)交织成一个统一的结构。

在相对论的理论中,物质和能量弯曲和扭曲时空的结构,作为回应,时空的弯曲和扭曲可以告诉我们物质和能量如何移动,而现在我们共同体验的东西就是“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,没有洞,没有眼泪,没有缠结。纯粹,干净,平滑。如果没有这种平滑性,引力的数学运算就会崩溃。

但广义相对论并不是唯一告诉我们时空的东西。我们也有量子力学(以及它的继承者,量子场论)。在量子世界里,一切微观的东西都是由随机的机会和概率决定的。粒子可以在一瞬间出现和消失。而能量场可以用它们自己的意志摆动和振动,也就是说没有什么是可以确定的。就像薛定谔的猫,在你打开盖子之前,里面的一切都是不确定性的。

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(所谓的普朗克尺度,大约是十亿分之十亿分之十亿分之十亿分之十亿分之一米),时空就不应该看起来是平滑的。相反,它应该是一团翻滚、沸腾的混乱——一团充满粒子的愤怒的泡沫汤,不断地在时空中撕裂孔洞,然后在宏观世界的任何人注意到之前把它们修补起来。

可能存在同时正确的时空概念

但是我们不可否认,这两种时空观可能同时是正确的。要么广义相对论是正确的,时空是平滑的,要么量子力学是正确的,时空是厚实的。物理学家认为,最终的答案在于两种观点的结合,即所谓的量子引力。不,我们目前还不知道最终的答案是什么。所以如果我们能打开时空,看看最微小的尺度,也许我们能得到一些线索,知道到底发生了什么。

如果时空真的是泡沫而褶皱的,那么这应该会影响任何通过时空的物体。例如,一束光沿着它愉快的路径将会遇到各种微观的颠簸。有时这些小碰撞会给光一个推力,推高它的能量水平,有时光会遇到一个小减速带,减慢它的速度。但是无论如何,最终的结果是,光在充满泡沫的时空中传播时,会以能量的形式缓慢扩散。

这种效应非常非常微小,以至于我们不可能在实验室里测量它。但幸运的是,大自然可以为我们提供一个实验室。如果我们能在太空中找到一束连贯的光束(换句话说,一束自然空间激光),而这束光束经过数十亿年的时间到达我们的望远镜,我们就能测量能量的传播,并利用它来测量时空的泡沫。

来自遥远时空的证据

那么在现实中,我们可以看到时空的线索吗?天文学家们指出了一个完美的源头:一个普通的气体云,位于180亿光年之外。使这种特殊的气体云特别有用的是两个事实。第一,在它的后面有一个明亮的光源,照亮了它。第二,云里有铁,它以特定的波长吸收背景光。

所以从我们在地球上的有利位置来看,如果时空是完全平滑的,由气体云引起的背景光的间隙应该和气体云就在我们旁边一样窄。但是,如果时空是泡沫状的,那么在数十亿光年范围内传播的光就会扩散开来,改变缝隙的宽度。

但是天文学家没有发现任何泡沫的迹象,不过这并不意味着它不存在。这只是意味着,如果时空是泡沫的,我们需要超过180亿光年才能用我们目前的技术看到它。但研究结果排除了一些量子引力模型。如果未来的实验确实发现了泡沫的迹象呢?这将是我们进入量子引力世界的第一个窗口,这是物理学家自20世纪50年代以来一直在寻找的东西,它将颠覆我们的物理学!

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