时空到底是平滑的 还是块状的？

时间和空间是平滑的还是巨大的？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理存在联系起来。

然而，通过实验来探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大的能量。然而，一组天文学家提出了一个雄心勃勃的新计划，利用一组微型宇宙飞船来探测光速的细微变化。在一些最令人困惑的宇宙理论中，光速的变化是一个非常重要的参数。如果这项研究能够证明空间和时间确实被分解成小块，它可能带来对现实的新理解。

块状vs光滑

什么是空间和时间？这个问题可以追溯到几千年前，我们今天对这个问题的理解是基于两个奇怪且不相容的支柱，即量子力学和爱因斯坦的广义相对论。

在广义相对论中，空间和时间被编织成一个统一的时空结构，这是支撑我们宇宙的四维阶段。这种时空是连续的，意味着任何地方都没有空隙，一切都是平滑的。然而，时间和空间不仅给我们提供了一个“表演的舞台”，也给了我们一个演奏者:时间和空间的弯曲和变形给了我们重力的体验。

在另一个角落，量子力学控制着宇宙中那些微小事物之间的相互作用。量子力学是基于这样一种观点，即我们的大多数日常经历都不是平稳和连续的，而是巨大的。换句话说，它是量化的。物质的能量、动量、自旋和许多其他性质被分成离散的小块。

更重要的是，量子力学本身已经分裂成两个阵营。一方面，构成我们日常生活中熟悉事物的粒子，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，这些粒子被分成“块”，因为它们都是离散的“东西”。另一方面，我们有量子场。在亚原子世界中，每个粒子都有自己的时空场。当我们提到粒子时，首先想到的是它们在磁场中的微小振动，这反过来又会与其他粒子相互作用，产生其他有趣的现象。可以想象，这些领域是非常平坦的。

时间和空间的碎片

因此，我们对宇宙的想象一部分是平滑的，另一部分是巨大的。当谈到时空本身时，我们可以很容易地将量子力学的概念扩展到它的逻辑结论和规则，即空间和时间是离散的:真实的结构就像电脑屏幕上的像素一样被分割，而我们经验中平滑而连续的运动实际上只是最小尺度的网格离散像素。

物理学家已经提出了许多将量子力学与广义相对论相结合的理论，如弦理论和环量子引力理论。这些理论预测了某种形式的离散时间和空间(尽管对这个巨大结构的精确预测、解释和意义知之甚少)。如果我们能找到离散时间和空间的证据，它不仅会完全改写我们对现实的理解，而且会引发物理学的一场革命。

这种离散性只能以最微妙的方式表现出来，否则我们就会发现它。各种理论预测，如果时空确实是巨大的，那么光速可能不是完全恒定的，而是根据光的能量略有不同。高能光的波长很短，当波长变得足够短时，可以“看到”巨大的时空想象你走在人行道上:如果你的脚很大，你不会注意到任何微小的裂缝或突起。但是如果你的脚很小，你会被路上每一个不平坦的地方绊倒并减速。然而，这种变化非常小。如果时空是离散的，它的表达规模可能比我们在最强大的实验中发现的要小十亿倍。

寻找圣杯

让我们来看看GrailQuest，它是“伽马射线天文学时空量子探索国际实验室”的缩写。在欧洲航天局(欧空局)呼吁在时空探索方面有新的想法后，一组天文学家提交了任务提案。他们仅在arXiv数据库中详细描述了该提案，因此未被业内同行审查。

简而言之，为了观察不同能量下光速的变化，我们需要收集大量宇宙中能量最高的光，格拉伊尔奎斯特希望做到这一点。

GrailQuest由一组小型简单的探测器组成(精确的数字各不相同，如果探测器很大，只有几十个，如果探测器很小，则有几千个)，用来连续监测天空中的伽马暴。伽马射线爆发是宇宙中最强大的能量爆发，可以释放大量高能光子，即伽马射线。这些伽马射线需要数十亿年才能到达探测器。探测器将记录伽马射线的能量和伽马射线在航天器上爆炸的时间差。

如果达到足够的精度，GrailQuest也许能够揭示空间和时间是否是离散的。至少，这个想法是正确的:探测最高能量的光(这在预测块状时空的理论中影响最大)；伽马射线已经传播了数十亿光年(随着时间的推移，它们的影响将逐渐增加)；此外，使用相对简单的探测器，并且可以批量生产(整个探测器组可以探测整个天空中尽可能多的事件)。

如果GrailQuest能找到时空分散的证据，我们对现实的概念将会如何改变？这是不可预测的——当涉及到时间和空间的意义时，我们当前的理论仍然充满了困惑。无论如何，我们都需要等待。欧空局的提案将于2035年至2050年间推出。在我们得到确切的结果之前，我们只能从理论上讨论时空是光滑的还是块状的。

时间和空间是平滑的还是巨大的？