科學中既關鍵，受重視程度又最不夠的貢獻之一是數學對物理宇宙進行的描述——也就是用連續而流暢的數學函數對宇宙進行的描述，比如用正弦波描述光線和聲音。這偶爾會被稱作「牛頓第零運動定律」，因為事實上他的三大著名定律就是這些函數的體現。
20世紀早期，艾伯特·愛因斯坦重擊了牛頓宇宙，他向我們展示，空間既被質量彎曲，也和時間有著內在關聯。他把這個新的概念稱作「時空」。這個理念在令人震撼的同時，它的方程式卻仍然和牛頓的一樣，保持著流暢和連續。
但是近年來一小部分研究人員的發現暗示，時空實際上卻是生而隨意的，因此在小尺度上，連「牛頓第零定律」也行不通了。
讓我們來探究一下這其中的深意。
首先，什麼是時空？你可能會回想起平面幾何，如果在一個平面上畫兩個點，並從第一個點出發，畫x、y兩個坐標軸，那這兩個點之間的距離就是x^2+y^2的平方根，x和y是第二個點的坐標。在三維空間中，這樣的距離則是x^2+y^2+z^2的平方根。
這些距離是恆定的。無論你怎麼畫坐標軸，它們的值都不會改變。
牛頓第零定律是科學中受重視程度最不夠的貢獻之一。
那麼如果把時間當作第四個維度加入進來呢？四維坐標系中的點名為「事件」：它可以用x、y和z，以及特定的時間t來指出。
那麼該如何獲知兩個事件間的這段「距離」呢？也許有人會認為情況是相似的，這段距離是x^2+y^2+z^2+t^2的平方根，但並不是，因為如果你繪製坐標的方式不同，這段「距離」是會改變的，因此實際上不能把這當成真正的距離。
愛因斯坦發現，這段恆定的距離是x^2+y^2+z^2-ct^2的平方根，在這裡c是光速。假如你改變坐標軸的繪製方式，x、y、z和t的值可能會發生變化，但x^2+y^2+z^2-ct^2的平方根卻是不變的。
對愛因斯坦來說，x、y、z和t這四個維度實際上是存在於同一個概念中的基本要素，因此他稱之為「時空」。
愛因斯坦用一個極具智慧且高度複雜的邏輯鏈，推斷出引力是時空本身的幾何學特徵——曲率，而曲率是質量存在的結果。根據愛因斯坦的觀點，假如宇宙中沒有質量存在，那時空就將是「平坦」的，也就是說，沒有曲率。
要理解空間的曲率，可以想像在一個球體表面上的一隻二維甲蟲。這隻甲蟲怎樣才能知道它所在的平面不是無限的？它可以朝一個方向前進，一段時間後發現又回到了出發的地方。
它也可以在表面上用正確的角度繪製x和y兩個軸，計算從坐標起點開始到其他任意一點的距離，如果不等於x^2+y^2的平方根，那這隻聰明的甲蟲就能推斷出它所在的空間是彎曲的。
因此曲率影響兩點間的距離，而質量決定曲率。
這就是愛因斯坦對時空理解的本質，但他的相對論只是20世紀兩個物理學偉大革命之一；另一個是量子力學。
人們會很自然地想知道：量子力學是如何影響時空的幾何學特徵的？這是當今物理學中最大的謎團之一，而時空的隨機性很可能是答案的一部分。
量子力學的核心「海森堡測不準原理」和其他一些觀點認為，每個自然體系，即便溫度低達絕對零度，都會有剩餘能量存在。這種剩餘能量名為「零點能」，在時空中，即便是「空無一物」的真空，也具有這種能量。
真空是由粒子和反粒子構成的，它們會持續不斷地出現、相撞和湮滅。粒子的突然出現和消失導致了真空零點能在時間上產生波動。因為能量相當於質量（E=mc^2），而質量產生時空曲率，真空能量的波動導致了時空曲率的波動。
這反過來又造成了時空兩點間距離的波動，也就是說，在小尺度上，時空是嘈雜而隨機的，距離和時間是不明確的。
如果我們在一個不是太小的區間內觀察量子波動，那這種波動會趨向於平均化。但是如果我們在一個無限小的區間——或一個點上觀察，我們就會發現它擁有無限的能量。
因此我們也許會想知道：多小的尺度足以讓我們能夠關注感興趣的物理學特性，又不至於太小以致於只看得到那些能量——在那個距離上，最合適的測量單位是什麼？
真空是由粒子和反粒子構成的，它們會持續不斷地出現、相撞和湮滅。
要回答這個問題，我們就要跟隨馬克斯·普朗克的思路。普朗克被認為是量子力學之父，他試圖探求距離的「自然單位」——也就是一種非隨意性的標準（隨意性標準如米和英尺等）。他提議用普遍存在的常量來表述自然單位：真空光速（c）；用以表述引力場強度的引力常量（G）；以及用以表述粒子能量和頻率間關係的普朗克常量（h）。
普朗克所構想的這個最小距離「自然單位」，也就是我們今天所知的普朗克長度LP，它可以用方程式LP=(hG/2πc^3)^(1/2)來表示。
普朗克長度非常小，大約10^-35米。它比質子的直徑還要小億萬億倍——由於太小，所以無法進行測量；也正因為從未被測量，所以存在著爭議。
但是普朗克長度非常重要。弦理論完全取消了點的概念並建議把普朗克長度作為最短的長度。新出現的量子圈引力理論同樣也是如此。極小體積內存在無限能量這個問題也被徹底避免，因為它杜絕了這種可能性。
普朗克長度還有另一個重要方向。相對論預測，觀察者在一個快速移動的參考系內所測得的距離會變小——也就是所謂的「洛倫茲收縮」，但是普朗克長度非常特殊——它是唯一一個能夠僅用c、G和h，而無需加入其他隨意性常量推算出的長度——所以它可以在所有參考系內保持相同的值，而不涉及任何洛倫茲收縮。
但是由於普朗克長度是從普遍存在的常量中推算出來的，因此它在所有參考系中都必然擁有相同的值；它不會因洛倫茲收縮而改變。這意味著在這個尺度上，相對論不適用了。
對這一現象，我們需要有新的科學解釋，而無序時空也許堪當此任。不會因洛倫茲收縮而變短的普朗克長度意味著它是一個基本定量，一個基本單位，或一個基本長度。
由此還可以知道，維度小於普朗克長度的體積是不存在的。普朗克長度成了描述時空「顆粒」，也就是時空最小結構的極好候選者。
馬克斯·普朗克試圖探求距離的自然單位——一種基於普遍常量的標準。
現在，我們終於可以描述「無序時空」了。首先，它是顆粒狀的，這些顆粒的大小，大致相當於普朗克長度。
其次，這些顆粒間的距離是不確定的。量子力學認為，物體越大，它所呈現出來的量子特性就越不明顯，因此隨著時空區域內的質量增加，它的隨機性就會降低。（這與相對論有點類似。相對論認為，區域內質量越大，該區域的曲率就越高。）
理論上可以推斷，假如宇宙中沒有質量，時空將不如愛因斯坦的相對論所認為的那樣平坦，而是徹底無序，無法確定的。沒有了質量，空間還有什麼用？
再次，和弦理論和量子圈引力理論不同。在無序的時空中，因為那個尺度上固有的隨機性，這些顆粒彼此之間會發生漂移，就像裝在一個盒子裡的彈子球那樣。無序意味著假如我們輕輕晃動這個盒子，裡面的彈子球就會四處移動。體積單元（彈子球）的漂移也許可以用來解釋為什麼在普朗克長度上相對論不適用。
由於相對論依賴於牛頓第零定律，依賴於流暢連續的數學函數——而在接近普朗克長度的尺度上，這些流暢的函數將失去用武之地。
艾薩克·牛頓肯定會非常震驚。他以為空間和時間是毫無特徵的虛空，只不過是他三大運動定律方程式裡的參考系。雖然這的確是我們每個人的日常生活體驗。「無序時空」理論所設想的時空是顆粒狀的、不確定的，它超出了流暢持續的函數所能描述的能力範圍。
我們可以從量子力學身上看到的希望，是能夠通過方程式推導出時空本身的特性——它們並不是隨意搭建的屋頂，而是深植於地底的支柱。
作者CarlFrederick是理論物理學博士，曾在美國航空航天局和科內爾大學擔任研究工作，現在是一名科技創業者和專業科幻作家。