北京時(shí)間11月25日消息，我們的基本現(xiàn)實(shí)是連續(xù)的，還是被分割成了無(wú)數(shù)微小，離散的部分？換句話說(shuō)，時(shí)空是平滑的，還是塊狀的？這個(gè)問(wèn)題觸及了物理學(xué)最基本理論的核心，將空間和時(shí)間與我們的物質(zhì)存在聯(lián)系在一起。

　　然而，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)空間和時(shí)間的本質(zhì)是不可能的，因?yàn)樘綔y(cè)宇宙中如此微小的尺度需要極端的能量。不過(guò)，一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了一項(xiàng)雄心勃勃的新計(jì)劃，他們將利用一組微型宇宙飛船來(lái)探測(cè)光速的細(xì)微變化。在一些最令人費(fèi)解的宇宙理論中，光速的變化是非常重要的參數(shù)。如果這項(xiàng)研究能證實(shí)空間和時(shí)間確實(shí)被分解成小塊，那或許將帶來(lái)對(duì)現(xiàn)實(shí)的全新理解。

　　塊狀vs光滑

　　空間和時(shí)間是什么？這個(gè)問(wèn)題可以追溯到幾千年前，夜上海吉他譜而我們今天對(duì)該問(wèn)題的理解建立在兩個(gè)奇怪且不相容的支柱上，夜上海吉他譜那就是量子力學(xué)和愛因斯坦的廣義相對(duì)論。

　　在廣義相對(duì)論中，空間和時(shí)間被編織成統(tǒng)一的時(shí)空結(jié)構(gòu)，這是支撐我們所處宇宙的四維舞臺(tái)。這個(gè)時(shí)空是連續(xù)的，意味著任何地方都沒(méi)有空隙，一切都是光滑的。然而，時(shí)空不僅僅為我們提供了“表演的舞臺(tái)”，它同時(shí)也是一個(gè)玩家：時(shí)空的彎曲和變形給了我們引力的體驗(yàn)。

　　在另一個(gè)角落，量子力學(xué)控制著宇宙中那些極微小事物之間的相互作用。量子力學(xué)基于這樣一種觀點(diǎn)，即我們?nèi)粘Ｉ�活中的大部分體驗(yàn)并不是平滑，連續(xù)的，而是塊狀的。?句話說(shuō)，是量子化的。物質(zhì)的能量，白色風(fēng)車吉他譜動(dòng)量，自旋和其他許多性質(zhì)都分割成了離散的小塊。

　　更重要的是，量子力學(xué)本身也分裂成兩個(gè)陣營(yíng)。一方面，構(gòu)成我們?nèi)粘Ｉ�活中熟悉事物的粒子，比如電子和質(zhì)子，它們的相互作用會(huì)引起許多有趣的現(xiàn)象。顯然這些粒子是分成“塊狀”的，因?yàn)樗鼈兌际请x散的“事物”。另一方面，我們有量子場(chǎng)。在亞原子世界中，每一種粒子都有自己在時(shí)空中傳播的場(chǎng)。當(dāng)我們提到粒子時(shí)，首先想到的是它們?cè)趫?chǎng)中的微小振動(dòng)，這些振動(dòng)反過(guò)來(lái)又與其他粒子相互作用，并發(fā)生其他有趣的現(xiàn)象。可以想見的是，這些場(chǎng)非常平坦。

　　時(shí)間和空間的碎片

　　因此，我們對(duì)宇宙的想象有一部分是平滑的，埃其亞基在哪另一部分則是塊狀的。當(dāng)涉及時(shí)空本身的時(shí)候，我們很容易將量子力學(xué)的概念延伸至其邏輯結(jié)論，并裁定空間和時(shí)間是離散的：現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)劃分就像電腦屏幕上的像素，我們經(jīng)驗(yàn)中光滑，連續(xù)的運(yùn)動(dòng)其實(shí)只不過(guò)是一個(gè)最微小尺度的網(wǎng)格離散像素。

　　物理學(xué)家提出了許多將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論結(jié)合在一起的理論，比如弦理論和圈量子引力理論。這些理論預(yù)測(cè)了某種形式的離散時(shí)空（盡管對(duì)這種塊狀結(jié)構(gòu)的精確預(yù)測(cè)，解釋和含義仍知之甚少）。如果我們能找到離散時(shí)空的證據(jù)，那不僅將徹底改寫我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解，而且還將開啟一場(chǎng)物理學(xué)的革命。

　　這種離散性只能以最微妙的方式表現(xiàn)出來(lái)，否則我們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)了。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，這種變化非常微小，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。

　　尋找“圣杯”

　　讓我們來(lái)了解一下GrailQuest，這是“時(shí)空量子探索的伽馬射線天文學(xué)國(guó)際實(shí)驗(yàn)室”（Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time）的縮寫。在歐洲空間局（ESA）提出尋找時(shí)空探索新想法的號(hào)召之后，一群天文學(xué)家提交了這項(xiàng)任務(wù)的建議。他們只在arXiv數(shù)據(jù)庫(kù)中詳細(xì)描述了這項(xiàng)提議，因此還沒(méi)有經(jīng)過(guò)業(yè)內(nèi)的同行評(píng)議。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，為了觀察不同能量下光速的變化，我們需要收集宇宙中大量能量最高的光，GrailQuest希望能做到這一點(diǎn)。

　　GrailQuest由一組小型，簡(jiǎn)單的探測(cè)器組成（確切的數(shù)字各不相同，如果探測(cè)器體積較大的話，只需幾十顆，而如果探測(cè)器較小的話，則需要幾千顆），以持續(xù)監(jiān)測(cè)天空中的伽馬暴。伽馬射線暴是宇宙中最強(qiáng)大的能量爆發(fā)，能釋放出大量的高能光子，也就是伽馬射線。這些伽馬射線在到達(dá)探測(cè)器之前，要經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的時(shí)間。探測(cè)器會(huì)記錄下伽馬射線的能量，以及當(dāng)伽馬射線在宇宙飛船上爆炸時(shí)所產(chǎn)生的時(shí)間差。

　　如果能達(dá)到足夠的精確度，GrailQuest或許能夠揭示時(shí)空是否離散。至少，這種思路是對(duì)的：檢測(cè)最高能量的光（這些光在預(yù)測(cè)時(shí)空為塊狀的理論中受影響最大），伽馬射線已經(jīng)傳播了數(shù)十億光年（隨著時(shí)間的推移，其變化效應(yīng)會(huì)逐漸增強(qiáng)），而且使用的是較為簡(jiǎn)單的探測(cè)器，可以批量生產(chǎn)（整個(gè)探測(cè)器群可以在整個(gè)天空中探測(cè)盡可能多的事件）。

　　如果GrailQuest能找到時(shí)空離散性的證據(jù)，那我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的概念會(huì)如何改變？這是無(wú)法預(yù)知的——我們當(dāng)前的理論在涉及到時(shí)空的含義時(shí)仍充滿混亂。無(wú)論如何，重慶麥當(dāng)勞宅急送我們都需要等待。歐洲空間局的這輪提案將在2035年到2050年之間推出。在獲得確切的結(jié)果之前，我們只能在理論上討論時(shí)空到底是平滑的還是塊狀的。（任天）

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