北京時間5月2日消息，據國外媒體報導，現實的本質是什麼？時空，也就是宇宙的四維結構，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最基本理論的核心，而一項新的研究試圖找到問題背後的答案。
我們似乎不可能對時空本質進行測量，但憑藉先進的望遠鏡，研究人員得以透過數十億光年的距離，向宇宙深處窺視，或許這將帶來對時空的全新理解。
愛因斯坦的廣義相對論是我們理解萬有引力的唯一途徑，通過繁瑣的數學運算，我們對所謂的「時空」有了一定了解。這是一個由四維結構（三維空間和一維時間）交織而成的統一結構。在相對論的語言中，物質和能量會使織物般的時空結構發生彎曲和扭曲，作為回應，時空的彎曲和扭曲也決定著物質和能量如何移動，這就是我們共同體驗到的「引力」。
為了讓廣義相對論的數學原理起作用，這個時空結構必須在最小尺度上絕對平滑。不管你把鏡頭拉近多遠，時空都將像一件新熨過的襯衫一樣沒有褶皺。時空沒有洞，沒有裂痕，沒有纏結，一切都是那麼純粹、乾淨和平滑。如果沒有這種平滑性，引力的數學運算就會立即崩潰。
然而，廣義相對論並不是唯一描述時空的理論，我們還有量子力學（以及其繼承者，量子場論）。在量子世界裡，一切微觀的事物都是由隨機的可能性或概率決定的。粒子可以在一瞬間出現和消失（通常比你想像的「一瞬間」短得多）；能量場可以憑自己的「意志」搖擺和振動，沒有什麼是永遠確定的。
各種各樣的理論預測，如果時空確實是塊狀的，那麼光速就可能不是完全恆定的，而可能根據光的能量發生微小的變化。高能量的光具有較短的波長，當波長變得足夠短時，就可以「看到」塊狀的時空。想像一下你走在人行道上的情景：如果你的腳很大，那你就不會注意到任何微小的裂縫或凸起；但如果你的腳很小，你就會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；如果時空是離散的，那其表現尺度很可能比我們目前在最強大的實驗中探測到的還要小十億倍。
因此，正如物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）在1960年指出的那樣，如果我們把時間縮小到儘可能小的尺度（所謂的普朗克長度，1.616252×10^−35 米），時空看起來就不應該是平滑的。相反，時空應該是一團翻滾、沸騰的東西，可以看作一團充滿泡沫的「粒子湯」，不斷地在時空中撕裂出孔洞，然後在宏觀世界的任何人注意到之前將孔洞修補起來。
問題在於，這兩種時空觀不可能同時是正確的。要麼廣義相對論是正確的，時空是平滑的；要麼量子力學是正確的，時空是塊狀的。物理學家認為，最終的答案可能在於這兩種觀點的結合，即所謂的量子引力。當然，我們目前還不知道最終的答案是什麼。如果可以打開時空，看看最微小的尺度，那我們或許能得到一些線索。
如果時空真的充滿了泡沫並且不斷翻滾，那麼任何通過時空的物體應該都會受到影響。例如，一束光將會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，這些微小的碰撞會給光一個推力，推高其能量水平；有時，光會遇到一個微小的減速帶，使其速度減慢。最終的結果是，當光束在充滿泡沫的時空中傳播時，會以能量的形式緩慢鋪開。
這種效應非常微小，令人難以置信，我們也不可能在實驗室裡對其進行測量。不過幸運的是，大自然可以為我們提供一個實驗室。如果我們能在太空中找到一束完好的連續光束（換言之，一束自然的空間雷射），而這束光束經過數十億年的時間剛好被地球上的望遠鏡捕捉到，那我們就可以測量其攜帶的能量，並以此來測量時空的「起泡性」。
一組天文學家正是這麼做的，他們將研究結果向《皇家天文學會月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）投稿，同時也發布在預印本網站arXiv上。巧合的是，他們用來搜索時空的工具便是「ESPRESSO」（與濃縮咖啡的英文同名），其全稱為「用於巖石系外行星和穩定光譜觀測的階梯攝譜儀」（Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations）。該儀器安裝在歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡（VLT）上。
正如「ESPRESSO」這個名字所暗示的那樣，儘管該儀器的設計初衷並非為了尋找「時空泡沫」，但它最終成為了這項工作的最佳工具。天文學家將其指向一個完美的源頭：一團位於180億光年之外的氣體雲。看似平凡無奇，但這團氣體雲卻能發揮重要作用。這是因為：首先，在它的後面有一個明亮的光源，照亮了它；其次，氣體雲中存在鐵原子，能以特定的波長吸收背景光。
因此，從地球上的我們看來，如果時空是完全平滑的，那麼由氣體雲導致的背景光間隙應該和氣體雲就在我們旁邊時一樣狹窄。但是，如果時空是泡沫狀的，那麼在數十億光年範圍內傳播的光將會擴散開來，改變間隙的寬度。
天文學家沒有發現任何時空存在「泡沫」的跡象，但這並不意味著時空的「起泡性」不存在。這只是意味著，如果時空存在「泡沫」，那我們需要超過180億光年才能用目前的技術觀測到它。不過，這些研究結果已經足以排除一些量子引力模型，將它們扔進了物理學史上眾所周知的垃圾箱。
如果未來的實驗確實發現了時空「泡沫」的證據呢？毫無疑問，這將成為我們進入量子引力世界的第一個窗口，這也是物理學家自20世紀50年代以來一直在尋找的東西。