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天文|时空是平滑的还是厚实的？

现实的本质是什么？是时空吗？作为我们宇宙的四维结构 ， 它在最微小的尺度上最终是平滑的 。 如果不是时空 ， 那或是别的什么？
天文|时空是平滑的还是厚实的？
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这个问题的答案似乎是不可能测量的 ， 但借助最先进望远镜的力量 ， 研究人员可以透过数十亿光年的距离去凝视 ， 所以他们开始往更深的地方望去 。
爱因斯坦的广义相对论是我们理解引力的途径之一 ， 通过这个棘手的数学难题 ， 我们了解了一种叫做“时空”的东西 ， 一种由三维空间和一维时间编织在一起的四维结构 。
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用相对论的语言来讲 ， 物质和能量弯曲并扭曲了时空的结构 ， 作为回应 ， 时空的弯曲和扭曲指引了物质和能量如何移动 ， 这是我们都有所经历的“重力” 。
为了让广义相对论的数学发挥作用 ， 这种时空结构必须在最微小的尺度上绝对平滑 。 无论你放大多远 ， 时空总是像一件新近熨平的衬衫一样没有褶皱 。 衬衫上没有破洞 ， 甚至没有污渍 。 只是纯粹的、干净的顺滑 。 如果没有这种平滑度 ， 重力的数学就会崩溃 。
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但是 ， 广义相对论并不是唯一能向我们描述时空的理论 。 我们还有量子力学 ， 以及它的后继者——量子场论 。 在量子世界里 ， 一切微观事物都受随机机会和概率的支配 。 粒子可以在瞬间——甚至比这还短——出现和消失 。 场则可以完全按照自己的意志摆动和振动 。 在量子世界中 ， 没有什么是可以确定的 。
因此 ， 正如物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)在1960年指出的那样 ， 如果我们要缩小到可能的最小尺度(被称为普朗克尺度 ， 大约是十亿分之一米) ， 时空应该看起来一点也不平滑 。 相反 ， 按照惠勒的说法 ， 它应该是一团搅动、沸腾的烂摊子——一团愤怒的泡沫粒子 ， 它不断地在时空中撕开空洞 ， 并在宏观世界的任何人注意到之前再次修补它们 。
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【天文|时空是平滑的还是厚实的？】所以这两种时空观哪个是正确的？如果广义相对论是正确的 ， 那么时空是平滑的；如果量子力学是正确的 ， 那么时空是厚重的 。 我们的物理学家认为 ， 最终的答案在于这两种观点的结合 ， 也就是所谓的量子引力 。 当然 ， 我们目前还不知道最终的答案是什么 。 因此科学家们产生了这样的想法：如果我们能打开时空 ， 看看最微小的尺度 ， 也许我们就能得到一些线索 ， 了解到底发生了什么 。
如果时空是泡沫 ， 在冒着泡 ， 那么这应该会影响任何穿越时空的东西 。 例如 ， 一束光线沿着其方向行进时 ， 会遇到各种各样的微小碰撞和推挤 ， 因为这是一条普朗克式的碎石道路 ， 而不是一条平坦的高速公路 。
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有时这些小小的碰撞会给光带来提振 ， 推高它的能级 ， 有时光会遇到一点减速带 ， 减慢它的速度 。 而净效应是 ， 穿过这种泡沫时空的光将在能量中慢慢扩散 。
这个效应非常微小 ， 以至于我们不太可能在实验室里测量到它 。 但谢天谢地 ， 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美的相干光束——换句话说 ， 自然空间激光器 ， 并且这束光束能在数十亿年后到达我们的望远镜 ， 我们就可以测量能量的扩散 ， 并用它来测量时空的泡沫 。
这正是一个天文学家团队所做的 ， 他们已将他们的结果提交给皇家天文学会的月刊发表 ， 并将他们的工作发布到在线预印网站arXiv上 。 在近乎完美的巧合下 ， 他们使用了一种“意式咖啡”（ESPRESSO）——中阶梯光栅摄谱仪和稳定光谱观测 ， 这是一种基于欧洲南方天文台望远镜的仪器 。
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顾名思义 ， “浓缩咖啡”不是用来寻找时空泡沫的 ， 但事实证明它是最适合这项工作的工具 。 天文学家把它指向了一个完美的来源：一个普通的气体云 ， 距离我们超过180亿光年 。 使这种特殊的气云特别有用的是两个已知事实 。 第一 ， 有一个明亮的光源就处在它的后面 ， 照亮它 。 第二 ， 这团气体云中有铁 ， 可以吸收特定波长的背景光 。
因此 ， 从我们在地球上的有利位置来看 ， 如果时空是完全平滑的 ， 那么气体云造成的背景光的差距应该会很小 ， 就像气云就坐在我们旁边一样 。 但是如果时空是泡沫化的 ， 那么在数十亿光年范围内传播的光就会扩散 ， 从而改变缝隙的宽度 。


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