连续的时空是一种幻觉？成千上万的探测器将升

途说历史网

发布于2023-07-01

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计算机模拟的宇宙混沌期。TNG

时空是什么？人类自有史以来其实就一直在探寻这个问题的答案。而到了现代，人类对时空本质认识的两大支柱——广义相对论和量子力学却发生了矛盾。

广义相对论认为时空是交织在一起的一张统一的网，是我们宇宙展示自己的一个四维舞台。广义相对论中的时空是连续的，是一个整体，找不到缺口。时空既是我们表演的舞台，其本身也是一位表演者。时空的弯曲，能够给我们带来引力的体验。

但是在量子力学里，时空却有另一种面貌。量子力学统治着宇宙中的一切微小事物。量子力学认为，在我们日常体验到的事物中，有许多并不是连续的。在量子力学里，自然界的很多东西都是由最小的单位组成的，都可以分成一份一份。能量、动量、自旋等，物质的许多特性无不如此。

在量子力学里，有许多我们熟悉的粒子，如电子、质子，它们无疑是不连续的，颗粒状的，它们组成的东西无疑是可以被“分解”的。但在量子力学里，同时也存在一种量子场。这些存在于亚原子世界里的场是由粒子产生的，每一种粒子都有自己专属的场，它们扩散在时空中。量子场的振荡，让我们体验到了粒子。粒子之间的相互影响，是通过量子场进行的。而量子场是连续的。

假如我们将量子力学的概念扩展到时空本身，就会得到一个逻辑推论，即时空是不是也是不连续的？是颗粒化的？是不是也是由一个个最小单位组成的？时空是不是也可以像电脑屏幕上的影像一样，分解为一个个像素？我们所体验到的时空连续性，是不是一张由无数极小的点组成的网？我们日常体验到的连续时空是否只是一种幻觉？

许多试图将量子力学和广义相对论统一在一起的假说——如弦论和环量子引力论等——都将时空视为是不连续的，是可分解的——尽管这些理论中的许多预言、解释和含意仍然让人难以理解。因此假如能够找到时空是不连续的证据，就能从根本上改写我们对现实的认识，物理学也将发生一场革命。

时空的不连续性如果有表现，一定是极不惹人注意的，否则我们早就发现了。许多理论认为假如时空是不连续的，那么光速也一定是不恒定的——它会随光子所携能量大小的变化而变化。光的能量越高，波长就越短。假如它的波长足够短，时空的不连续性就能体现出来。这就像我们走路一样，假如我们的步伐很大，就感觉不到路上的起伏；假如我们的步伐很小，就能体验到路的不平。而对于光来说，它在时空之路上的步伐必须迈得极小，才能体验到时空的不连续性。要让光的步伐迈得足够小，要让它能够体验到时空之路的不平整，其所需要携带的能量，是我们当前最强实验装置所能提供的10亿倍以上。

时空的本性，是物理学中的一座“圣杯”。而这可能也是欧空局一个新设想之所以被命名为“寻找圣杯（GrailQuest）”的一个原因。这个设想中的项目名称，是“时空量子探索伽马射线天文学国际实验室（Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time）”的缩写，现已被提交到了arXiv，即将接受同行评议。

为了探测不同能量的光子飞行速度是否不同，我们需要在宇宙中收集大量高能光子。而这正是“寻找圣杯”计划希望做的。“寻找圣杯”计划希望能够发射大量小型的探测器——具体数量为多少，则取决于它们的个体究竟有多大——来持续监视来自天空的伽马射线暴。伽马射线暴是宇宙中最强大的暴发现象，它们能够产生大量高能光子，也就是伽马射线。这些伽马射线穿越了几十上百亿光年后，被探测器捕获。探测器能够记录下这些光子所携带的能量大小，并根据各个探测器在接收到伽马射线信号过程中产生的时间差来发现光速的差异。

在足够高的精度下，“寻找圣杯”计划理论上能够发现时空是否是不连续的。至少，这是正确的一步。首先这些光子拥有最高级别的能量；其次这些高能光子穿越了几十上百亿光年，有足够多的时间将效应进行累积；最后探测器的结构足够简单，因此可以部署得很多，能够尽可能多地覆盖整个天空，对大量的伽马射线爆发事件进行监视。

欧空局初步计划在2035至2050年间发射这些探测器。假如“寻找圣杯”计划届时发现时空真的是不连续的，那么人类的物理学必将发生重大变革。

参考：

时空是“颗粒状”的？这会永远改变现实的本质（What If Space-Time Were 'Chunky'? It Would Forever Change the Nature of Reality）

欧空局“航行2050”白皮书——“寻找圣杯”：在时空的褶皱中寻找时间和空间的微粒（esa Voyage 2050 white paper -- GrailQuest: hunting for Atoms of Space and Time hidden in the wrinkle of Space-Time）

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