纵观整个科学史，理解宇宙的主要目标之一就是发现什么是其最基本的。在现代宏观世界中，人类所能观察并与之相互作用的许多事物都是由更小的粒子和支配它们的基本定律组成。所有事物都是由元素构成的想法可以追溯到几千年前，从炼金术到化学到原子，再到标准模型，还包括量子宇宙的基本概念。
我们经常把空间想象成一个三维网格，当考虑时空的概念时，这只是一个相关框架的过度简化。关于空间和时间是离散的还是连续的，以及是否可能存在最小尺度的问题仍然没有得到解答。图片：ReunMedia / Storyblocks
尽管有很好的证据表明宇宙中所有基本实体在某种程度上都是量子，但这并不意味着一切都是离散的和量子化的。只要我们还不能完全理解量子层面上的引力，空间和时间在基本层面上可能仍然是连续的，就无法证明一切都是离散和量子化的，这就是人类迄今为止所知道的。
所有无质量粒子都以光速运动，包括光子、胶子和引力波，它们分别携带着电磁、强核和引力相互作用。可以把每一个量子能量看作是离散的，但是否可以对空间和或时间本身持有相同看法是未知的。图片：NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
量子力学概念是在足够小的范围内，所有包含能量的东西，无论是巨大的(像电子)还是无质量的(像光子)都可以分解成单个的量子。可以把这些量子想象成能量包，它们有时表现为粒子，有时表现为波，这取决于它们与什么事物发生相互作用。
自然界中的每一件事物都遵循量子物理定律，“经典”定律适用于更大、更宏观的系统，并且可以（至少在理论上）从更基本的量子规则中推导出来。但并非所有事物都是离散量子化的，或者被划分成局部区域空间。
此图是关于镥-177的能级差异，只有特定、离散的能级是合理的，虽然能级是离散的，但是电子的位置并不离散。图片：M.S. Litz and G. Merkel Army Research Laboratory, SEDD, DEPG Adelphi, MD
举个例子：如果有一个金属的导电带，然后问“占据这个带的电子在哪里?”电子在频带内可以是任意的、连续的。一个自由光子可以有任何波长和能量，在那里没有任何离散性可言。某物质是量子化的，或者本质上是量子，并不意味着它一切都必须是离散的。
时空（空间和时间，因为与爱因斯坦的相对论密不可分）可以被量化的观点可以追溯到海森堡。著名的不确定性原理从根本上限制了如何精确地测量特定的量(如位置和动量)。海森堡发现，当试图在量子场论中计算它们时，某些量会发散，或者趋于无穷。
这张图说明了位置和动量之间的内在不确定关系，当一方被更精确地知晓时，另一方在本质上是不太可能被知道。图片：Wikimedia Commons user Maschen
如果假设空间的距离是最小，那么这些不定式就会消失。从数学或物理的角度来说，这个理论变得可重构，这意味着我们可以准确地计算。可以通过想象在盒子里放了一个量子粒子来直观地理解它。“粒子在哪里?”你发出疑问，因此你可以测量，但同时与之关联的不确定性会出现：不确定性是/ L成正比，其中是普朗克常数，L是盒子的大小。
如果把某一粒子限制在一个空间中，并尝试测量它的性质，就会有与普朗克常数和盒子大小成正比的量子效应出现。如果盒子很小，低于一定的尺度，这些性质是不可能计算出来的。图片：Andy Nguyen / UT-Medical School at Houston
通常情况下与其本身主要部分相比不确定性(/ L)只是很小的一部分，但如果L足够小就不会是这种情况。如果事实如此，那通过添加通常忽略的附加项，比如（L / 2），将开始进行更大的修正；这就是为什么它很容易引入一个“截止比例”或一个不被允许变小的L。这种最小距离尺度可以在量子物理学中为我们省去很多麻烦。
当考虑到非量化引力时，正如物理学家奥尔登·米德在20世纪60年代所展示的那样：引力放大了海森堡固有的位置不确定性。在距离普朗克长度（10的负35次方米）以下尺度是不可能的存在的。自20世纪90年代以来，这一论点在弦论中以新的形式出现。
大型强子对撞机最新记录显示我们在宇宙中相互作用的物体范围非常大，从宇宙尺度下至约10 ^ - 19米的范围。然而到达普朗克尺度扔有很长很长的路要走。图片：University of New South Wales / School of Physics
但是没有一个最终的引力理论，所以我们不知道空间必然是离散的这一问题是不是真的不可逾越。海森堡最初的困难来自于他试图将费米理论的β衰变重新修正。如果没有最小的尺度，它是不能成立的。由于电弱理论和标准模型的发展，不再需要一个离散的最小尺度来处理β衰变，一个更好的理论在没有它的情况下也可以做得很好。
量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。经典重力的量子修正可视为环图（如图中所示的白色），空间（或时间）本身是离散还是连续的尚未确定。图片：SLAC National Accelerator Lab
那么我们现在在空间和时间是否被量化的问题上处于什么位置呢？主要有三种可能性会出现，每一种可能性都有着让人着迷的含义。
1、时间或空间是离散的
想象一下，如果有可能最短尺度出现，那该怎么办？这必然会有一个问题出现：在爱因斯坦的相对论中，可以把一个虚无的尺度放在任何地方，而且它会根据你相对于它的移动速度而缩短。如果空间被量化，人们将可以以不同的速度移动测量出不同的基本长度尺度！
图示是由于质量而产生的波纹和变形时空结构。然而即使在这个空间中发生了许多事情，它本身也不需要被分解成单独的量子。
这强烈地表明将有一个“特权”的参考系出现，其中一个特定速度通过空间将拥有最大可能的尺度，而所有其他的速度将会变得更短。不是每个人都欣赏这个观点，这一观点会让你放弃一些重要的物理知识，比如洛伦兹的不变性或局部性。正如约翰·贝兹和比尔·鲁所指出的那样：离散化时间也给广义相对论带来了重大问题。
2、时间和空间都是连续的
另一方面，我们现在看到的问题可能并不是无法克服的，而是量子宇宙不完整理论的产物。空间和时间可能是连续的，即使它们是量子性质，但它们不能被分解成基本。它可能是一种泡沫状的时空，在微小的尺度上有巨大能量波动，但可能没有最小的尺度。当我们成功地找到量子引力理论时，它可能有一个连续而不量子化的结构。
量子泡沫概念说明其中的量子涨落有巨大变化，并且在最小的尺度上非常重要。空间固有能量在这些尺度上的波动很大。图片：NASA/CXC/M.Weiss
3、空间和/或时间可能是离散或连续的，然而获得的分辨率有限
这就触及了“真实”、“根本”之间的区别，以及什么是可测量的。假设有一个连续的结构，但是观察能力是有限，当这个结构缩小到一定的距离时就会有些模糊。也就看不出它到底是连续的还是离散的。只能说我们目前还不能解决结构低于一定的长度尺度。
光通过色散棱镜并分离成清晰颜色的例子是和许多中高能光子撞击晶体时发生情况类似。如果用一个光子来设置这个晶体移动量可以是一个离散的空间“级别”。图片：Wikimedia Commons user Spigget
不可思议的是可能有一种方法能测试出是否有最小的尺度存在。物理学家雅各布·贝肯斯坦在他去世三年之前在一项实验中提出了一个绝妙的想法：一个光子穿过一个晶体使它移动一个微小的量。因为光子可以在能量上(连续地)调谐，并且与光子的动量相比，晶体的质量非常大，所以应该能够检测出晶体运动的“步骤”是离散还是连续的。如果有足够低能量光子，并且空间是量子化的；晶体要么会移动单个量子阶级，要么根本不会移动。
图是一个平直、空旷，没有任何形式物质、能量或曲率的空间。如果这个空间从根本上来说是离散的，应该能够设计一个实验，至少在理论上能展示出这一行为。图片：Amber Stuver / Living Ligo
在空间或时间上可能存在一个最小的可能尺度，这是一个迷人的概念，从它第一次被提出以来一直困扰着物理学家。当然，一切物质都由量子组成，但不是所有物质都是离散的。在爱因斯坦的相对论中，空间和时间仍然被视为连续结构的两个相连部分。在量子场论中，时空是量子之舞的连续舞台。但它的核心应该是量子引力理论。“离散还是连续的？”这个问题包含了一些迷人的可能性，还包括在一定范围内无法知道的可能性。尽管许多人想方设法解决这一问题，但在这一点上需要更多的信息，才能真正了解宇宙在基本层面上的水平。
博科园-科学科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B
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发表于 2018-6-23 16:53
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