時空是平滑的還是厚實的？

現實的本質是什麼？是時空嗎？作為我們宇宙的四維結構，它在最微小的尺度上最終是平滑的。如果不是時空，那或是別的什麼？

這個問題的答案似乎是不可能測量的，但藉助最先進望遠鏡的力量，研究人員可以透過數十億光年的距離去凝視，所以他們開始往更深的地方望去。

愛因斯坦的廣義相對論是我們理解引力的途徑之一，通過這個棘手的數學難題，我們了解了一種叫做「時空」的東西，一種由三維空間和一維時間編織在一起的四維結構。

用相對論的語言來講，物質和能量彎曲並扭曲了時空的結構，作為回應，時空的彎曲和扭曲指引了物質和能量如何移動，這是我們都有所經歷的「重力」。

為了讓廣義相對論的數學發揮作用，這種時空結構必須在最微小的尺度上絕對平滑。無論你放大多遠，時空總是像一件新近熨平的襯衫一樣沒有褶皺。襯衫上沒有破洞，甚至沒有汙漬。只是純粹的、乾淨的順滑。如果沒有這種平滑度，重力的數學就會崩潰。

但是，廣義相對論並不是唯一能向我們描述時空的理論。我們還有量子力學，以及它的後繼者——量子場論。在量子世界裡，一切微觀事物都受隨機機會和概率的支配。粒子可以在瞬間——甚至比這還短——出現和消失。場則可以完全按照自己的意志擺動和振動。在量子世界中，沒有什麼是可以確定的。

因此，正如物理學家約翰·惠勒(John Wheeler)在1960年指出的那樣，如果我們要縮小到可能的最小尺度(被稱為普朗克尺度，大約是十億分之一米)，時空應該看起來一點也不平滑。相反，按照惠勒的說法，它應該是一團攪動、沸騰的爛攤子——一團憤怒的泡沫粒子，它不斷地在時空中撕開空洞，並在宏觀世界的任何人注意到之前再次修補它們。

所以這兩種時空觀哪個是正確的？如果廣義相對論是正確的，那麼時空是平滑的；如果量子力學是正確的，那麼時空是厚重的。我們的物理學家認為，最終的答案在於這兩種觀點的結合，也就是所謂的量子引力。當然，我們目前還不知道最終的答案是什麼。因此科學家們產生了這樣的想法：如果我們能打開時空，看看最微小的尺度，也許我們就能得到一些線索，了解到底發生了什麼。

如果時空是泡沫，在冒著泡，那麼這應該會影響任何穿越時空的東西。例如，一束光線沿著其方向行進時，會遇到各種各樣的微小碰撞和推擠，因為這是一條普朗克式的碎石道路，而不是一條平坦的高速公路。

有時這些小小的碰撞會給光帶來提振，推高它的能級，有時光會遇到一點減速帶，減慢它的速度。而淨效應是，穿過這種泡沫時空的光將在能量中慢慢擴散。

這個效應非常微小，以至於我們不太可能在實驗室裡測量到它。但謝天謝地，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美的相干光束——換句話說，自然空間雷射器，並且這束光束能在數十億年後到達我們的望遠鏡，我們就可以測量能量的擴散，並用它來測量時空的泡沫。

這正是一個天文學家團隊所做的，他們已將他們的結果提交給皇家天文學會的月刊發表，並將他們的工作發布到在線預印網站arXiv上。在近乎完美的巧合下，他們使用了一種「意式咖啡」（ESPRESSO）——中階梯光柵攝譜儀和穩定光譜觀測，這是一種基於歐洲南方天文臺望遠鏡的儀器。

顧名思義，「濃縮咖啡」不是用來尋找時空泡沫的，但事實證明它是最適合這項工作的工具。天文學家把它指向了一個完美的來源：一個普通的氣體雲，距離我們超過180億光年。使這種特殊的氣雲特別有用的是兩個已知事實。第一，有一個明亮的光源就處在它的後面，照亮它。第二，這團氣體雲中有鐵，可以吸收特定波長的背景光。

因此，從我們在地球上的有利位置來看，如果時空是完全平滑的，那麼氣體雲造成的背景光的差距應該會很小，就像氣雲就坐在我們旁邊一樣。但是如果時空是泡沫化的，那麼在數十億光年範圍內傳播的光就會擴散，從而改變縫隙的寬度。

天文學家沒有發現任何泡沫的跡象，這並不意味著它不存在，這隻代表，如果時空是泡沫的，我們需要超過180億光年才能用我們目前的技術看到它。但結果只能夠排除一些量子引力模型，把這些模型送入物理史上眾所周知的垃圾箱。

如果未來的實驗確實發現了泡沫的跡象呢？這將是我們進入量子引力世界的第一扇窗口，這是物理學家自20世紀50年代以來一直在尋找的東西。這便是量子世界，因為這一切可能被一些隨機的氣體雲揭示出來。

作者: Paul Sutter

FY: 羅導

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