科学|如果时空“离散”怎么办？它会永远改变现实世界科学

我们的现实世界是连续的还是被切成细小的，离散的泡沫？

文章图片
文章图片
这个问题可以表述为：时空是平滑的还是泡沫状的？这个问题切入了物理学最基本理论的核心，将时空相交的方式与我们日常生活的物质联系在一起。
但是，由于探测宇宙中极其微小的尺度所需的极端能量，不可能对空间和时间的性质进行实验性测试。现在，天文学家提出了一项新计划，该计划将使用一支小型航天器来探测光速的细微变化，这是宇宙中一些最令人费解的理论。如果确实将时间和空间分解成小块，那么这项研究可以为对现实的全新理解铺平道路。
泡沫vs平滑

文章图片
文章图片
时空是什么的问题可以追溯到数千年前，我们的现代理解基于两个奇怪的不兼容的理论：量子力学和爱因斯坦的广义相对论。
在广义相对论中，时空被编织成统一的时空结构，时空是组成我们宇宙的第四个维度。宇宙时空是连续的，这意味着任何地方都没有空隙。都是质地光滑的。但是，时空不仅仅是我们活动的平台。它也是一个参与者：时空的弯曲和扭曲为我们提供了引力的体验。

文章图片
文章图片
但是，量子力学的规则支配着宇宙中非常微小的事物之间的相互作用。量子力学基于这样的思想，即我们的日常经验不是很平滑和连续的，而是泡沫状的。换句话说，它是量化的。能量，动量，自旋和许多其它特性进来只是离散的小数据包。
而且，量子力学本身也分为两个阵营。一方面，我们拥有日常生活中熟悉的粒子，例如电子和质子，它们相互作用并做其它有趣的事情。它们是离散的“事物。另一方面，我们有量子场。在亚原子世界中，每种粒子都有自己的场，并在整个时空中扩散。当我们想到粒子时，我们会想到它们场中的微小振动，这些振动又与其它粒子相互作用，并执行其它一些有趣的事情。
离散的时间和空间

文章图片
文章图片
因此，我们有一些平滑的宇宙图和一些泡沫状的图。当涉及到时空本身时，假定时空是离散的：现实的结构像计算机屏幕上的像素一样被分割，而我们经历的平滑，连续的运动不过是最小比例尺上的离散像素网格。
将量子力学和广义相对论结合在一起的许多理论，例如弦论和环形量子引力，都可以预测某种形式的离散时空。如果我们能够找到离散时空的证据，那么它不仅会完全重写我们对现实的理解，而且还会打开物理学革命的大门。

文章图片
文章图片
这种离散性只能以最微妙的方式展现出来。否则我们现在会很容易发现它。如果时空确实是泡沫状的，那么光速可能就不会完全恒定，根据光的能量，光速可能会略有变化。高能量的光具有较短的波长，并且当波长足够小时，它可以“看到”时空的块状。想象一下走在人行道上：大脚不会发现任何细微的裂缝或颠簸，但是如果你有细微的脚，那么你会被每一个小的缺陷绊倒，从而使你减速。但是这种转变非常微小。如果时空是离散的，那么它的规模比我们目前在最强大的实验中可以探测到的规模小十亿倍。分页标题
寻找圣杯
寻找圣杯之旅：为了响应欧洲航天局（ESA）提出的新的时空狩猎想法的呼吁，一组天文学家提交了这项任务的提案。

文章图片
文章图片
这里是独家新闻：为了查看光速是否随不同能量而变化，需要收集宇宙中大量的最高能量的光，圣杯之旅希望做到这一点。
圣杯之旅由一群小型，简单的航天器组成（确切的数目各不相同，从卫星较大时的几十个到卫星较小时的几千个不等），以不断监视天空中的伽马射线暴。这些是宇宙中最强大的爆炸。就像它们的名字所暗示的那样，这些爆发释放出大量的高能光子，也就是伽马射线。这些伽玛射线经过数十亿年才到达航天器上，该航天器记录了伽马射线的能量以及爆炸冲刷整个航天器时的时间差。

文章图片
文章图片
圣杯之旅可以揭示时空是否是离散的。至少，它具有明确的方向：它正在研究最高能量的光（在预测时空离散理论中影响最大的光）；伽马射线已经行进了数十亿光年（允许这种影响随着时间的推移而积累）；而且该航天器非常简单，可以进行大规模生产（因此整个航天器队伍可以在整个太空中看到尽可能多的事件）。
【科学|如果时空“离散”怎么办？它会永远改变现实世界】

文章图片
文章图片
如果寻求圣杯之旅证明时空是离散的，那么现实世界将如何改变呢？不可能说没有影响，关于影响，我们目前的理论无处不在。但是无论如何，我们将不得不等待。这轮ESA提议是在2035年至2050年之间的某个时间公布结果。在等待期间，我们可以辩论从现在到未来之间经过的时间是连续平滑的还是离散泡沫状的。