北京時間5月2日消息，據(jù)國外媒體報道，現(xiàn)實的本質(zhì)是什么？時空，也就是宇宙的四維結(jié)構(gòu)，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后的答案。

我們似乎不可能對時空本質(zhì)進行測量，但憑借先進的望遠鏡，研究人員得以透過數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)（三維空間和一維時間）交織而成的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。在相對論的語言中，物質(zhì)和能量會使織物般的時空結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲和扭曲，作為回應，時空的彎曲和扭曲也決定著物質(zhì)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(shù)學原理起作用，這個時空結(jié)構(gòu)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(jié)，一切都是那么純粹、干凈和平滑。如果沒有這種平滑性，引力的數(shù)學運算就會立即崩潰。

然而，廣義相對論并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）。在量子世界里，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(xiàn)和消失（通常比你想象的“一瞬間”短得多）；能量場可以憑自己的“意志”搖擺和振動，沒有什么是永遠確定的。

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，當波長變得足夠短時，就可以“看到”塊狀的時空。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??；如果時空是離散的，那其表現(xiàn)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盡可能小的尺度（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，然后在宏觀世界的任何人注意到之前將孔洞修補起來。

問題在于，這兩種時空觀不可能同時是正確的。要么廣義相對論是正確的，時空是平滑的；要么量子力學是正確的，時空是塊狀的。物理學家認為，最終的答案可能在于這兩種觀點的結(jié)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么。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并且不斷翻滾，那么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(jié)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里對其進行測量。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(xù)光束（換言之，一束自然的空間激光），而這束光束經(jīng)過數(shù)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，并以此來測量時空的“起泡性”。

一組天文學家正是這么做的，他們將研究結(jié)果向（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）投稿，同時也發(fā)布在預印本網(wǎng)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“用于巖石系外行星和穩(wěn)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，盡管該儀器的設計初衷并非為了尋找“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：一團位于180億光年之外的氣體云?？此破椒矡o奇，但這團氣體云卻能發(fā)揮重要作用。這是因為：首先，在它的后面有一個明亮的光源，照亮了它；其次，氣體云中存在鐵原子，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，那么由氣體云導致的背景光間隙應該和氣體云就在我們旁邊時一樣狹窄。但是，如果時空是泡沫狀的，那么在數(shù)十億光年范圍內(nèi)傳播的光將會擴散開來，改變間隙的寬度。

天文學家沒有發(fā)現(xiàn)任何時空存在“泡沫”的跡象，但這并不意味著時空的“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(jié)果已經(jīng)足以排除一些量子引力模型，將它們?nèi)舆M了物理學史上眾所周知的垃圾箱。

如果未來的實驗確實發(fā)現(xiàn)了時空“泡沫”的證據(jù)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。