我們的現實是連續的，還是被分割成了無數微小、離散的部分？換句話說，時空是平滑的，還是塊狀的？這個問題觸及了物理學最基本理論的核心，將空間和時間與我們的物質存在聯繫在一起。
然而，通過實驗檢測空間和時間的本質是不可能的，因為探測宇宙中如此微小的尺度需要極端的能量。
不過，一個天文學家團隊提出了一項雄心勃勃的新計劃，他們將利用一組微型宇宙飛船來探測光速的細微變化。在一些最令人費解的宇宙理論中，光速的變化是非常重要的參數。
如果這項研究能證實空間和時間確實被分解成小塊，那或許將帶來對現實的全新理解。
塊狀VS光滑
空間和時間是什麼？
這個問題可以追溯到幾千年前，而我們今天對該問題的理解建立在兩個奇怪且不相容的支柱上，那就是量子力學和愛因斯坦的廣義相對論。
在廣義相對論中，空間和時間被編織成統一的時空結構，這是支撐我們所處宇宙的四維舞臺，這個時空是連續的，意味著任何地方都沒有空隙，一切都是光滑的，然而時空不僅僅為我們提供了「表演的舞臺」，它同時也是一個玩家：時空的彎曲和變形給了我們引力的體驗。
在另一個角落，量子力學控制著宇宙中那些極微小事物之間的相互作用。量子力學基於這樣一種觀點，那就是我們日常生活中的大部分體驗並不是平滑、連續的，而是塊狀的，換句話說，是量子化的。物質的能量、動量、自旋和其他許多性質都被分割成了離散的小塊。
更重要的是，量子力學本身也分裂成兩個陣營。一方面，構成我們日常生活中熟悉事物的粒子，比如電子和質子，它們的相互作用會引起許多有趣的現象，顯然這些粒子是分成「塊狀」的，因為它們都是離散的「事物」。另一方面，我們有量子場，在亞原子世界中，每一種粒子都有自己在時空中傳播的場。
當我們提到粒子時，首先想到的是它們在場中的微小振動，這些振動反過來又與其他粒子相互作用，並發生其他有趣的現象。可以想見的是，這些場非常平坦。
時間和空間的碎片
因此，我們對宇宙的想像有一部分是平滑的，另一部分則是塊狀的。當涉及時空本身的時候，我們很容易將量子力學的概念延伸至其邏輯結論，並裁定空間和時間是離散的：現實的結構劃分就像電腦屏幕上的像素，我們經驗中光滑、連續的運動其實只不過是一個最微小尺度的網格離散像素。
物理學家為此提出了許多將量子力學和廣義相對論結合在一起的理論，比如弦理論和圈量子引力理論。
這些理論預測了某種形式的離散時空（儘管對這種塊狀結構的精確預測、解釋和含義仍知之甚少）。如果我們能找到離散時空的證據，那不僅將徹底改寫我們對現實的理解，而且還將開啟一場物理學的革命。
這種離散性只能以最微妙的方式表現出來，否則我們早就發現了。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。
尋找「聖杯」
讓我們來了解一下GrailQuest，這是「時空量子探索的伽馬射線天文學國際實驗室」的縮寫。在歐洲空間局（ESA）提出尋找時空探索新想法的號召之後，一群天文學家提交了這項任務的建議。他們只在arXiv資料庫中詳細描述了這項提議，因此還沒有經過業內的同行評議。
簡單來說，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。
GrailQuest由一組小型、簡單的探測器組成（確切的數字各不相同，如果探測器體積較大的話，只需幾十顆，而如果探測器較小的話，則需要幾千顆），以持續監測天空中的伽馬暴。
伽馬射線暴是宇宙中最強大的能量爆發，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探測器之前，要經過數十億年的時間。探測器會記錄下伽馬射線的能量，以及當伽馬射線在宇宙飛船上爆炸時所產生的時間差。
如果能達到足夠的精確度，GrailQuest或許能夠揭示時空是否離散。
至少，這種思路是對的：
檢測最高能量的光（這些光在預測時空為塊狀的理論中受影響最大）；
伽馬射線已經傳播了數十億光年（隨著時間的推移，其變化效應會逐漸增強）；
而且使用的是較為簡單的探測器，可以批量生產（整個探測器群可以在整個天空中探測儘可能多的事件）。
如果GrailQuest能找到時空離散性的證據，那我們對現實的概念會如何改變？這是無法預知的——我們當前的理論在涉及到時空的含義時仍充滿混亂。無論如何，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。在獲得確切的結果之前，我們只能在理論上討論時空到底是平滑的還是塊狀的。
文章轉載自「新浪探索」（id:sinascience）