現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)是什么？是時(shí)空嗎？作為我們宇宙的四維結(jié)構(gòu)，它在最微小的尺度上最終是平滑的。如果不是時(shí)空，那或是別的什么？

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這個(gè)問題的答案似乎是不可能測(cè)量的，但借助最先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡的力量，研究人員可以透過數(shù)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(duì)論是我們理解引力的途徑之一，通過這個(gè)棘手的數(shù)學(xué)難題，我們了解了一種叫做“時(shí)空”的東西，一種由三維空間和一維時(shí)間編織在一起的四維結(jié)構(gòu)。

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用相對(duì)論的語言來講，物質(zhì)和能量彎曲并扭曲了時(shí)空的結(jié)構(gòu)，作為回應(yīng)，時(shí)空的彎曲和扭曲指引了物質(zhì)和能量如何移動(dòng)，這是我們都有所經(jīng)歷的“重力”。

為了讓廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)發(fā)揮作用，這種時(shí)空結(jié)構(gòu)必須在最微小的尺度上絕對(duì)平滑。無論你放大多遠(yuǎn)，時(shí)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，甚至沒有污漬。只是純粹的、干凈的順滑。如果沒有這種平滑度，重力的數(shù)學(xué)就會(huì)崩潰。

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但是，廣義相對(duì)論并不是唯一能向我們描述時(shí)空的理論。我們還有量子力學(xué)，以及它的后繼者——量子場(chǎng)論。在量子世界里，一切微觀事物都受隨機(jī)機(jī)會(huì)和概率的支配。粒子可以在瞬間——甚至比這還短——出現(xiàn)和消失。場(chǎng)則可以完全按照自己的意志擺動(dòng)和振動(dòng)。在量子世界中，沒有什么是可以確定的。

因此，正如物理學(xué)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(shí)空應(yīng)該看起來一點(diǎn)也不平滑。相反，按照惠勒的說法，它應(yīng)該是一團(tuán)攪動(dòng)、沸騰的爛攤子——一團(tuán)憤怒的泡沫粒子，它不斷地在時(shí)空中撕開空洞，并在宏觀世界的任何人注意到之前再次修補(bǔ)它們。

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所以這兩種時(shí)空觀哪個(gè)是正確的？如果廣義相對(duì)論是正確的，那么時(shí)空是平滑的；如果量子力學(xué)是正確的，那么時(shí)空是厚重的。我們的物理學(xué)家認(rèn)為，最終的答案在于這兩種觀點(diǎn)的結(jié)合，也就是所謂的量子引力。當(dāng)然，我們目前還不知道最終的答案是什么。因此科學(xué)家們產(chǎn)生了這樣的想法：如果我們能打開時(shí)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(fā)生了什么。

如果時(shí)空是泡沫，在冒著泡，那么這應(yīng)該會(huì)影響任何穿越時(shí)空的東西。例如，一束光線沿著其方向行進(jìn)時(shí)，會(huì)遇到各種各樣的微小碰撞和推擠，因?yàn)檫@是一條普朗克式的碎石道路，而不是一條平坦的高速公路。

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有時(shí)這些小小的碰撞會(huì)給光帶來提振，推高它的能級(jí)，有時(shí)光會(huì)遇到一點(diǎn)減速帶，減慢它的速度。而凈效應(yīng)是，穿過這種泡沫時(shí)空的光將在能量中慢慢擴(kuò)散。

這個(gè)效應(yīng)非常微小，以至于我們不太可能在實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量到它。但謝天謝地，大自然可以為我們提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)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，自然空間激光器，并且這束光束能在數(shù)十億年后到達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡，我們就可以測(cè)量能量的擴(kuò)散，并用它來測(cè)量時(shí)空的泡沫。

這正是一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)所做的，他們已將他們的結(jié)果提交給皇家天文學(xué)會(huì)的月刊發(fā)表，并將他們的工作發(fā)布到在線預(yù)印網(wǎng)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(wěn)定光譜觀測(cè)，這是一種基于歐洲南方天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的儀器。

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顧名思義，“濃縮咖啡”不是用來尋找時(shí)空泡沫的，但事實(shí)證明它是最適合這項(xiàng)工作的工具。天文學(xué)家把它指向了一個(gè)完美的來源：一個(gè)普通的氣體云，距離我們超過180億光年。使這種特殊的氣云特別有用的是兩個(gè)已知事實(shí)。第一，有一個(gè)明亮的光源就處在它的后面，照亮它。第二，這團(tuán)氣體云中有鐵，可以吸收特定波長(zhǎng)的背景光。

因此，從我們?cè)诘厍蛏系挠欣恢脕砜矗绻麜r(shí)空是完全平滑的，那么氣體云造成的背景光的差距應(yīng)該會(huì)很小，就像氣云就坐在我們旁邊一樣。但是如果時(shí)空是泡沫化的，那么在數(shù)十億光年范圍內(nèi)傳播的光就會(huì)擴(kuò)散，從而改變縫隙的寬度。

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天文學(xué)家沒有發(fā)現(xiàn)任何泡沫的跡象，這并不意味著它不存在，這只代表，如果時(shí)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(shù)看到它。但結(jié)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(shí)驗(yàn)確實(shí)發(fā)現(xiàn)了泡沫的跡象呢？這將是我們進(jìn)入量子引力世界的第一扇窗口，這是物理學(xué)家自20世紀(jì)50年代以來一直在尋找的東西。這便是量子世界，因?yàn)檫@一切可能被一些隨機(jī)的氣體云揭示出來。

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作者: Paul Sutter

FY: 羅導(dǎo)

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