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本文摘要:时空是平滑的还是厚实的?这个问题向来已就是两个物理门户之争,可是时空的本质到底是什么呢?我们知道,我们宇宙的四维结构,是三维加上时间,那么时空最终在最微小的尺度上到底是平滑的,还是此外什么?这似乎是不行能丈量的,但随着先进望远镜的气力透过数十亿光年的距离窥视,科学家开始初窥时空的秘密!时空:初窥门径说到时空,我们不得不提到万有引力。

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时空是平滑的还是厚实的?这个问题向来已就是两个物理门户之争,可是时空的本质到底是什么呢?我们知道,我们宇宙的四维结构,是三维加上时间,那么时空最终在最微小的尺度上到底是平滑的,还是此外什么?这似乎是不行能丈量的,但随着先进望远镜的气力透过数十亿光年的距离窥视,科学家开始初窥时空的秘密!时空:初窥门径说到时空,我们不得不提到万有引力。时空弯曲的原因就是万有引力造成的,证明时空弯曲的一个最著名的例子就是发生日全食的时候,掠过太阳外貌的星光会发生偏转,也就是说光线被太阳所吸引而引起微小偏转,爱因斯坦认为这就是时空弯曲,而且引力越大,时空弯曲越显著。爱因斯坦的广义相对论是我们明白万有引力的唯一途径,通过这个棘手的数学难题,我们相识了所谓的“时空”,一个四维结构(三维空间和一维时间)交织成一个统一的结构。

在相对论的理论中,物质和能量弯曲和扭曲时空的结构,作为回应,时空的弯曲和扭曲可以告诉我们物质和能量如何移动,而现在我们配合体验的工具就是“引力”。为了让广义相对论的数学原理起作用,这个时空结构必须在最小尺度上绝对平滑。不管你把镜头拉近多远,时空都将像一件新熨过的衬衫一样没有褶皱,没有洞,没有眼泪,没有缠结。

纯粹,洁净,平滑。如果没有这种平滑性,引力的数学运算就会瓦解。

但广义相对论并不是唯一告诉我们时空的工具。我们也有量子力学(以及它的继续者,量子场论)。

在量子世界里,一切微观的工具都是由随机的时机和概率决议的。粒子可以在一瞬间泛起和消失。而能量场可以用它们自己的意志摆动和振动,也就是说没有什么是可以确定的。

就像薛定谔的猫,在你打开盖子之前,内里的一切都是不确定性的。因此,正如物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)在1960年指出的那样,如果我们把时间缩小到尽可能小的尺度(所谓的普朗克尺度,约莫是十亿分之十亿分之十亿分之十亿分之十亿分之一米),时空就不应该看起来是平滑的。相反,它应该是一团翻腾、沸腾的杂乱——一团充满粒子的恼怒的泡沫汤,不停地在时空中撕裂孔洞,然后在宏观世界的任何人注意到之前把它们修补起来。可能存在同时正确的时空观点可是我们不行否认,这两种时空观可能同时是正确的。

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要么广义相对论是正确的,时空是平滑的,要么量子力学是正确的,时空是厚实的。物理学家认为,最终的谜底在于两种看法的联合,即所谓的量子引力。不,我们现在还不知道最终的谜底是什么。

所以如果我们能打开时空,看看最微小的尺度,也许我们能获得一些线索,知道到底发生了什么。如果时空真的是泡沫而褶皱的,那么这应该会影响任何通过时空的物体。例如,一束光沿着它愉快的路径将会遇到种种微观的颠簸。

有时这些小碰撞会给光一个推力,推高它的能量水平,有时光会遇到一个小减速带,减慢它的速度。可是无论如何,最终的效果是,光在充满泡沫的时空中流传时,会以能量的形式缓慢扩散。

这种效应很是很是微小,以至于我们不行能在实验室里丈量它。但幸运的是,大自然可以为我们提供一个实验室。

如果我们能在太空中找到一束连贯的光束(换句话说,一束自然空间激光),而这束光束经由数十亿年的时间到达我们的望远镜,我们就能丈量能量的流传,并使用它来丈量时空的泡沫。来自遥远时空的证据那么在现实中,我们可以看到时空的线索吗?天文学家们指出了一个完美的源头:一个普通的气体云,位于180亿光年之外。使这种特殊的气体云特别有用的是两个事实。

第一,在它的后面有一个明亮的光源,照亮了它。第二,云里有铁,它以特定的波长吸收配景光。​所以从我们在地球上的有利位置来看,如果时空是完全平滑的,由气体云引起的配景光的间隙应该和气体云就在我们旁边一样窄。

可是,如果时空是泡沫状的,那么在数十亿光年规模内流传的光就会扩散开来,改变漏洞的宽度。可是天文学家没有发现任何泡沫的迹象,不外这并不意味着它不存在。

这只是意味着,如果时空是泡沫的,我们需要凌驾180亿光年才气用我们现在的技术看到它。但研究效果清除了一些量子引力模型。如果未来的实验确实发现了泡沫的迹象呢?这将是我们进入量子引力世界的第一个窗口,这是物理学家自20世纪50年月以来一直在寻找的工具,它将颠覆我们的物理学!。


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