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时空是平滑的,还是充满泡沫的“粒子汤”?

2020/5/2 8:34:45来源:新浪科技作者:任天责编:汐元评论:

北京时间5月2日消息,据国外媒体报道,现实的本质是什么?时空,也就是宇宙的四维结构,在最微小的尺度上到底是平滑的,还是以别的形式存在?这些问题触及了物理学最基本理论的核心,而一项新的研究试图找到问题背后的答案。

我们似乎不可能对时空本质进行测量,但凭借先进的望远镜,研究人员得以透过数十亿光年的距离,向宇宙深处窥视,或许这将带来对时空的全新理解。

终极织网

爱因斯坦的广义相对论是我们理解万有引力的唯一途径,通过繁琐的数学运算,我们对所谓的“时空”有了一定了解。这是一个由四维结构(三维空间和一维时间)交织而成的统一结构。在相对论的语言中,物质和能量会使织物般的时空结构发生弯曲和扭曲,作为回应,时空的弯曲和扭曲也决定着物质和能量如何移动,这就是我们共同体验到的“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。时空没有洞,没有裂痕,没有缠结,一切都是那么纯粹、干净和平滑。如果没有这种平滑性,引力的数学运算就会立即崩溃。

然而,广义相对论并不是唯一描述时空的理论,我们还有量子力学(以及其继承者,量子场论)。在量子世界里,一切微观的事物都是由随机的可能性或概率决定的。粒子可以在一瞬间出现和消失(通常比你想象的“一瞬间”短得多);能量场可以凭自己的“意志”摇摆和振动,没有什么是永远确定的。

各种各样的理论预测,如果时空确实是块状的,那么光速就可能不是完全恒定的,而可能根据光的能量发生微小的变化。高能量的光具有较短的波长,当波长变得足够短时,就可以“看到”块状的时空。想象一下你走在人行道上的情景:如果你的脚很大,那你就不会注意到任何微小的裂缝或凸起;但如果你的脚很小,你就会被路面上每一处不平整的地方绊倒,减慢速度。但是,这种变化非常微小;如果时空是离散的,那其表现尺度很可能比我们目前在最强大的实验中探测到的还要小十亿倍。

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(所谓的普朗克长度,1.616252×10^−35 米),时空看起来就不应该是平滑的。相反,时空应该是一团翻滚、沸腾的东西,可以看作一团充满泡沫的“粒子汤”,不断地在时空中撕裂出孔洞,然后在宏观世界的任何人注意到之前将孔洞修补起来。

不平的道路

问题在于,这两种时空观不可能同时是正确的。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,时空是块状的。物理学家认为,最终的答案可能在于这两种观点的结合,即所谓的量子引力。当然,我们目前还不知道最终的答案是什么。如果可以打开时空,看看最微小的尺度,那我们或许能得到一些线索。

如果时空真的充满了泡沫并且不断翻滚,那么任何通过时空的物体应该都会受到影响。例如,一束光将会在路径中遇到各种微观的颠簸。在普朗克尺度上,光束的路径更像一条砾石路,而不是平坦的高速公路。有时,这些微小的碰撞会给光一个推力,推高其能量水平;有时,光会遇到一个微小的减速带,使其速度减慢。最终的结果是,当光束在充满泡沫的时空中传播时,会以能量的形式缓慢铺开。

这种效应非常微小,令人难以置信,我们也不可能在实验室里对其进行测量。不过幸运的是,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完好的连续光束(换言之,一束自然的空间激光),而这束光束经过数十亿年的时间刚好被地球上的望远镜捕捉到,那我们就可以测量其携带的能量,并以此来测量时空的“起泡性”。

“浓缩咖啡”的泡沫

一组天文学家正是这么做的,他们将研究结果向《皇家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)投稿,同时也发布在预印本网站arXiv上。巧合的是,他们用来搜索时空的工具便是“ESPRESSO”(与浓缩咖啡的英文同名),其全称为“用于岩石系外行星和稳定光谱观测的阶梯摄谱仪”(Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations)。该仪器安装在欧洲南方天文台的甚大望远镜(VLT)上。

正如“ESPRESSO”这个名字所暗示的那样,尽管该仪器的设计初衷并非为了寻找“时空泡沫”,但它最终成为了这项工作的最佳工具。天文学家将其指向一个完美的源头:一团位于180亿光年之外的气体云。看似平凡无奇,但这团气体云却能发挥重要作用。这是因为:首先,在它的后面有一个明亮的光源,照亮了它;其次,气体云中存在铁原子,能以特定的波长吸收背景光。

因此,从地球上的我们看来,如果时空是完全平滑的,那么由气体云导致的背景光间隙应该和气体云就在我们旁边时一样狭窄。但是,如果时空是泡沫状的,那么在数十亿光年范围内传播的光将会扩散开来,改变间隙的宽度。

天文学家没有发现任何时空存在“泡沫”的迹象,但这并不意味着时空的“起泡性”不存在。这只是意味着,如果时空存在“泡沫”,那我们需要超过180亿光年才能用目前的技术观测到它。不过,这些研究结果已经足以排除一些量子引力模型,将它们扔进了物理学史上众所周知的垃圾箱。

如果未来的实验确实发现了时空“泡沫”的证据呢?毫无疑问,这将成为我们进入量子引力世界的第一个窗口,这也是物理学家自20世纪50年代以来一直在寻找的东西。

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