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时空到底是平滑的,还是块状的?

时间:2019-11-27|栏目: 天文 • 物理 |点击:15

    时空到底是平滑的,还是块状的?

    换句话说,时空是平滑的,还是块状的?这个问题触及了物理学最基本理论的核心,将空间和时间与我们的物质存在联系在一起。

    然而,通过实验检测空间和时间的本质是不可能的,因为探测宇宙中如此微小的尺度需要极端的能量。

    不过,一个天文学家团队提出了一项雄心勃勃的新计划,他们将利用一组微型宇宙飞船来探测光速的细微变化。在一些最令人费解的宇宙理论中,光速的变化是非常重要的参数。

    如果这项研究能证实空间和时间确实被分解成小块,那或许将带来对现实的全新理解。

    块状VS光滑

    空间和时间是什么?

    这个问题可以追溯到几千年前,而我们今天对该问题的理解建立在两个奇怪且不相容的支柱上,那就是量子力学和爱因斯坦的广义相对论。

    时空到底是平滑的,还是块状的?

    在广义相对论中,空间和时间被编织成统一的时空结构,这是支撑我们所处宇宙的四维舞台,这个时空是连续的,意味着任何地方都没有空隙,一切都是光滑的,然而时空不仅仅为我们提供了“表演的舞台”,它同时也是一个玩家:时空的弯曲和变形给了我们引力的体验。

    在另一个角落,量子力学控制着宇宙中那些极微小事物之间的相互作用。量子力学基于这样一种观点,那就是我们日常生活中的大部分体验并不是平滑、连续的,而是块状的,换句话说,是量子化的。物质的能量、动量、自旋和其他许多性质都被分割成了离散的小块。

    更重要的是,量子力学本身也分裂成两个阵营。一方面,构成我们日常生活中熟悉事物的粒子,比如电子和质子,它们的相互作用会引起许多有趣的现象,显然这些粒子是分成“块状”的,因为它们都是离散的“事物”。另一方面,我们有量子场,在亚原子世界中,每一种粒子都有自己在时空中传播的场。

    时空到底是平滑的,还是块状的?

    当我们提到粒子时,首先想到的是它们在场中的微小振动,这些振动反过来又与其他粒子相互作用,并发生其他有趣的现象。可以想见的是,这些场非常平坦。

    时间和空间的碎片

    因此,我们对宇宙的想象有一部分是平滑的,另一部分则是块状的。当涉及时空本身的时候,我们很容易将量子力学的概念延伸至其逻辑结论,并裁定空间和时间是离散的:现实的结构划分就像电脑屏幕上的像素,我们经验中光滑、连续的运动其实只不过是一个最微小尺度的网格离散像素。

    物理学家为此提出了许多将量子力学和广义相对论结合在一起的理论,比如弦理论和圈量子引力理论。

    这些理论预测了某种形式的离散时空(尽管对这种块状结构的精确预测、解释和含义仍知之甚少)。如果我们能找到离散时空的证据,那不仅将彻底改写我们对现实的理解,而且还将开启一场物理学的革命。

    这种离散性只能以最微妙的方式表现出来,否则我们早就发现了。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。

    时空到底是平滑的,还是块状的?

    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。

    寻找“圣杯”

    让我们来了解一下GrailQuest,这是“时空量子探索的伽马射线天文学国际实验室”的缩写。在欧洲空间局(ESA)提出寻找时空探索新想法的号召之后,一群天文学家提交了这项任务的建议。他们只在arXiv数据库中详细描述了这项提议,因此还没有经过业内的同行评议。

    简单来说,为了观察不同能量下光速的变化,我们需要收集宇宙中大量能量最高的光,GrailQuest希望能做到这一点。

    GrailQuest由一组小型、简单的探测器组成(确切的数字各不相同,如果探测器体积较大的话,只需几十颗,而如果探测器较小的话,则需要几千颗),以持续监测天空中的伽马暴。

    伽马射线暴是宇宙中最强大的能量爆发,能释放出大量的高能光子,也就是伽马射线。这些伽马射线在到达探测器之前,要经过数十亿年的时间。探测器会记录下伽马射线的能量,以及当伽马射线在宇宙飞船上爆炸时所产生的时间差。

    时空到底是平滑的,还是块状的?

    如果能达到足够的精确度,GrailQuest或许能够揭示时空是否离散。

    至少,这种思路是对的:

    检测最高能量的光(这些光在预测时空为块状的理论中受影响最大);

    伽马射线已经传播了数十亿光年(随着时间的推移,其变化效应会逐渐增强);

    而且使用的是较为简单的探测器,可以批量生产(整个探测器群可以在整个天空中探测尽可能多的事件)。

    时空到底是平滑的,还是块状的?

    如果GrailQuest能找到时空离散性的证据,那我们对现实的概念会如何改变?这是无法预知的——我们当前的理论在涉及到时空的含义时仍充满混乱。无论如何,我们都需要等待。

    欧洲空间局的这轮提案将在2035年到2050年之间推出。在获得确切的结果之前,我们只能在理论上讨论时空到底是平滑的还是块状的。

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