時空是“破碎”的嗎？量子引力理論知多少

量子科學實驗衛星。（圖片來源：新華網）

時間和空間一樣，都是由一個一個最小的單位組成。如果有一架能夠看到時空微觀結構的“萬能顯微鏡”，我們或許還可以看到時空的“原子”。

從感覺上來看，時間如流水一樣連綿不斷、一去不返，也正因如此，對人類而言，時間顯得異常珍貴。但這一切都只是人們的直觀感受，時間的本質到底是什麼呢？人們真的可以穿越時光嗎？時間可以停止嗎？

目前，這些問題還沒有定論,但可以嘗試窺探一二，或者任意想象。

站的高，望的遠。為了看清時間的本質，我們要站在成熟的科學理論之上。愛因斯坦的相對論是一個關於時空的宏觀理論，該理論認為，物質的存在使得其周圍的時空彎曲，時間和空間都是連續不斷的。那麼從微觀看來，時空會是怎樣的呢？

人們常把時間比喻成流水，但從微觀角度來看，流水並不是連續不斷的，而是由千千萬萬的水分子組成的。如果把流水放大去看，其實更像流沙——千萬“顆”水分子的碰撞。再放大一些，還可以看到更小的原子、質子、電子等。那麼，如果把時間和空間盡量放大，也會像流水那樣有“時空原子”嗎？

從微觀角度來研究時空，便繞不開另一個理論——量子力學。量子力學認為，物質由最小粒子構成，構成單位不會無限細分下去，能量也有最小單位。

其實在物理學界，為了讓物理學在微觀和宏觀上得到統一，科學家們也一直在致力於統一量子力學和相對論，而時空研究領域正是科學家統一這兩大理論的戰場。

有的科學家（如李·斯莫林，加拿大圓周理論物理研究所創辦者）曾運用量子力學的標准方法來計算時空在微觀尺度上的模樣，其計算出的結果告訴人們：時空是離散的，在足夠小的尺度上，時空也有它的“原子”，這就是圈量子引力理論。當然，現在定論為時尚早，預言需要實驗來驗証，就像量子力學和相對論曾經走過的路一樣。

如今，科學家也已計算出了時間和空間量子單位，即不能再短的時間（10-43秒）和不能再小的空間（10-99cm3）。其中，這個空間被稱為量子體積，具體有多小呢？打個比方，如果把一顆花生米放大到太陽系那麼大，其中的量子體積才能增大到一顆中子那麼大！

當然，量子體積肯定不會那麼簡單，其具體模樣還未可知。時空是一體的，科學家們一直通過數學抽象用“泡沫”來描述時空的量子單位。那麼，怎樣檢驗圈量子引力理論呢？

早期的宇宙會爆發伽瑪暴，短時間內可輻射出大量的伽馬光子。根據圈量子理論，高能光子會比低能光子跑得快一點。雖然這個差異非常小，但光子在幾十億光年的“超長馬拉鬆”中，高低能光子的速度差帶來的效果已非常明顯。如果人們檢測到“同時起跑”的高低能光子到達地球的時間差，就可以驗証圈量子理論。

在統一量子力學和相對論的戰場上，圈量子理論和大名鼎鼎的弦理論是“競爭對手”，但目前這兩種理論都沒有足夠的証據來証明自己的唯一性。科學憑實驗事實說話，相對論在一百年后的今天仍然在用於實驗驗証，比如最近的引力波檢測就是對相對論強有力的驗証。

給科學時間，讓我們耐心等待這場“戰爭”的最終落幕吧。（魏玲海）