我們的宇宙其實很「光滑」？

知識 06-13

為了更深入地了解時空的本質，一個科學家小組觀察了遙遠宇宙天體的X射線和伽馬射線。他們的研究結果為當前認識的量子本質——即在非常微觀的尺度上呈現「泡沫」狀設定了限制。

這項研究的數據來自於多個望遠鏡，包括美國宇航局錢德拉X射線望遠鏡、費米伽馬射線空間望遠鏡、地基甚高能輻射成像望遠鏡陣。在可測的長度尺度和時間尺度上，時空——即三維空間與時間的疊加——呈現出光滑性和無結構性。

然而，這卻與量子力學的某些方面不相符。為了解釋原子和亞原子粒子的物理性質，科學家們建立了高度完美的量子力學理論。在目前的理論中科學家認為時空不是光滑的，相反，它的本質是不穩定的泡沫狀，由很多不斷變化的小區域構成，在這些區域中空間和時間不再受限定，而是不斷波動的。

我們的宇宙其實很「光滑」？時空泡沫：在微小尺度上時空呈現泡沫狀，並且非常不穩定。

「為了描述時空泡沫，你可以假想正在乘坐飛機從海洋上方飛過。海洋看上去是完全光滑的，然而當飛機飛得足夠低時你可以看到海浪，再繼續低時你可以看到不斷波動的微小泡沫。」佛羅里達科學研究院的埃里克?珀爾曼說，「更進一步說，這些泡沫如此之小甚至達到了原子級別，而我們則試圖從非常高的飛機上觀察它們。」

據估計，時空泡沫的尺度是氫原子核直徑的億分之一，因此難以直接探測得到。然而，如果時空的結構是泡沫狀的，那麼距離的精確測量將變得受限，因為光線所經過的大量量子泡沫的規模會波動變化。當光線經過大尺度宇宙距離時，無論採用那種時空模型，距離測量的不確定性都將以不同的速度累積。

研究人員通過觀察遙遠類星體的X射線和伽馬射線來檢驗時空泡沫模型。發表該研究的論文作者預測當光線傳播數十億光年時，累計產生的距離不確定性將大大降低圖片質量，導致目標物體不可觀測。根據不同的時空模型，圖像在某個特定波長下呈現不可觀測性。

錢德拉X射線望遠鏡在數十億光年之外探測到類星體，這排除了一種模型——根據這種模型，光子在時空泡沫中隨機擴散，就像光線在霧中漫射一樣。費米伽馬射線望遠鏡在較短的伽馬波長探測到了類星體，地基甚高能輻射成像望遠鏡陣在更短波長也探測到類星體，這都排除了另一個模型——全息模型。

「我們觀測的數據排除了與時空泡沫理論相關的兩個不同模型，」北卡羅拉納大學教堂山分校的傑克?吳說，「因此我們得出結論，認為時空並不像之前預料的那麼地泡沫化。」X射線和伽馬射線的數據顯示，時空在氫原子核千分之一的尺度上就變得光滑起來。

（編譯：小五）

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