時(shí)空是連續(xù)的？還是由無數(shù)細(xì)小顆粒組成的？

計(jì)算機(jī)模擬的宇宙混沌期。TNG

時(shí)空是什么？人類自有史以來其實(shí)就一直在探尋這個(gè)問題的答案。而到了現(xiàn)代，人類對(duì)時(shí)空本質(zhì)認(rèn)識(shí)的兩大支柱——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)卻發(fā)生了矛盾。

廣義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)空是交織在一起的一張統(tǒng)一的網(wǎng)，是我們宇宙展示自己的一個(gè)四維舞臺(tái)。廣義相對(duì)論中的時(shí)空是連續(xù)的，是一個(gè)整體，找不到缺口。時(shí)空既是我們表演的舞臺(tái)，其本身也是一位表演者。時(shí)空的彎曲，能夠給我們帶來引力的體驗(yàn)。

但是在量子力學(xué)里，時(shí)空卻有另一種面貌。量子力學(xué)統(tǒng)治著宇宙中的一切微小事物。量子力學(xué)認(rèn)為，在我們?nèi)粘ｓw驗(yàn)到的事物中，有許多并不是連續(xù)的。在量子力學(xué)里，自然界的很多東西都是由最小的單位組成的，都可以分成一份一份。能量、動(dòng)量、自旋等，物質(zhì)的許多特性無不如此。

在量子力學(xué)里，有許多我們熟悉的粒子，如電子、質(zhì)子，它們無疑是不連續(xù)的，顆粒狀的，它們組成的東西無疑是可以被“分解”的。但在量子力學(xué)里，同時(shí)也存在一種量子場(chǎng)。這些存在于亞原子世界里的場(chǎng)是由粒子產(chǎn)生的，每一種粒子都有自己專屬的場(chǎng)，它們擴(kuò)散在時(shí)空中。量子場(chǎng)的振蕩，讓我們體驗(yàn)到了粒子。粒子之間的相互影響，是通過量子場(chǎng)進(jìn)行的。而量子場(chǎng)是連續(xù)的。

假如我們將量子力學(xué)的概念擴(kuò)展到時(shí)空本身，就會(huì)得到一個(gè)邏輯推論，即時(shí)空是不是也是不連續(xù)的？是顆粒化的？是不是也是由一個(gè)個(gè)最小單位組成的？時(shí)空是不是也可以像電腦屏幕上的影像一樣，分解為一個(gè)個(gè)像素？我們所體驗(yàn)到的時(shí)空連續(xù)性，是不是一張由無數(shù)極小的點(diǎn)組成的網(wǎng)？我們?nèi)粘ｓw驗(yàn)到的連續(xù)時(shí)空是否只是一種幻覺？

許多試圖將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論統(tǒng)一在一起的假說——如弦論和環(huán)量子引力論等——都將時(shí)空視為是不連續(xù)的，是可分解的——盡管這些理論中的許多預(yù)言、解釋和含意仍然讓人難以理解。因此假如能夠找到時(shí)空是不連續(xù)的證據(jù)，就能從根本上改寫我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的認(rèn)識(shí)，物理學(xué)也將發(fā)生一場(chǎng)革命。

時(shí)空的不連續(xù)性如果有表現(xiàn)，一定是極不惹人注意的，否則我們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)了。許多理論認(rèn)為假如時(shí)空是不連續(xù)的，那么光速也一定是不恒定的——它會(huì)隨光子所攜能量大小的變化而變化。光的能量越高，波長就越短。假如它的波長足夠短，時(shí)空的不連續(xù)性就能體現(xiàn)出來。這就像我們走路一樣，假如我們的步伐很大，就感覺不到路上的起伏；假如我們的步伐很小，就能體驗(yàn)到路的不平。而對(duì)于光來說，它在時(shí)空之路上的步伐必須邁得極小，才能體驗(yàn)到時(shí)空的不連續(xù)性。要讓光的步伐邁得足夠小，要讓它能夠體驗(yàn)到時(shí)空之路的不平整，其所需要攜帶的能量，是我們當(dāng)前最強(qiáng)實(shí)驗(yàn)裝置所能提供的10億倍以上。

時(shí)空的本性，是物理學(xué)中的一座“圣杯”。而這可能也是歐空局一個(gè)新設(shè)想之所以被命名為“尋找圣杯（GrailQuest）”的一個(gè)原因。這個(gè)設(shè)想中的項(xiàng)目名稱，是“時(shí)空量子探索伽馬射線天文學(xué)國際實(shí)驗(yàn)室（Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time）”的縮寫，現(xiàn)已被提交到了arXiv，即將接受同行評(píng)議。

為了探測(cè)不同能量的光子飛行速度是否不同，我們需要在宇宙中收集大量高能光子。而這正是“尋找圣杯”計(jì)劃希望做的。“尋找圣杯”計(jì)劃希望能夠發(fā)射大量小型的探測(cè)器——具體數(shù)量為多少，則取決于它們的個(gè)體究竟有多大——來持續(xù)監(jiān)視來自天空的伽馬射線暴。伽馬射線暴是宇宙中最強(qiáng)大的暴發(fā)現(xiàn)象，它們能夠產(chǎn)生大量高能光子，也就是伽馬射線。這些伽馬射線穿越了幾十上百億光年后，被探測(cè)器捕獲。探測(cè)器能夠記錄下這些光子所攜帶的能量大小，并根據(jù)各個(gè)探測(cè)器在接收到伽馬射線信號(hào)過程中產(chǎn)生的時(shí)間差來發(fā)現(xiàn)光速的差異。

在足夠高的精度下，“尋找圣杯”計(jì)劃理論上能夠發(fā)現(xiàn)時(shí)空是否是不連續(xù)的。至少，這是正確的一步。首先這些光子擁有最高級(jí)別的能量；其次這些高能光子穿越了幾十上百億光年，有足夠多的時(shí)間將效應(yīng)進(jìn)行累積；最后探測(cè)器的結(jié)構(gòu)足夠簡單，因此可以部署得很多，能夠盡可能多地覆蓋整個(gè)天空，對(duì)大量的伽馬射線爆發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)視。

歐空局初步計(jì)劃在2035至2050年間發(fā)射這些探測(cè)器。假如“尋找圣杯”計(jì)劃屆時(shí)發(fā)現(xiàn)時(shí)空真的是不連續(xù)的，那么人類的物理學(xué)必將發(fā)生重大變革。

時(shí)空是“顆粒狀”的？這會(huì)永遠(yuǎn)改變現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)（What If Space-Time Were 'Chunky'? It Would Forever Change the Nature of Reality），https://livescience/is-space-time-smooth-chunky.html

歐空局“航行2050”白皮書——“尋找圣杯”：在時(shí)空的褶皺中尋找時(shí)間和空間的微粒（ESA Voyage 2050 white paper -- GrailQuest: hunting for Atoms of Space and Time hidden in the wrinkle of Space-Time），https://arxiv.org/abs/1911.02154