空間和時間是量子化的嗎？

縱觀整個科學史，了解宇宙的主要目標之一就是發現最基本的事物。在現代的宏觀世界中，我們進行觀察和與之相互作用的許多事物都是由更小的粒子構成以及可以從支配微觀粒子的基本定律中產生。人們認為一切都是由基本物質構成的想法，可以追溯到幾千年前，而這個概念已帶領我們從鍊金術到化學，再到原子，接著亞原子粒子，最後粒子物理學的標準模型，其中包括量子宇宙的激進概念。

但即使有令人信服的證據證明，宇宙中所有的基本實體在某種程度上都是量子，這也不意味著所有事物都是離散的和量子化的。只要我們還不能完全理解量子層面上的引力，那麼時空在基本層面上仍然是連續的。這就是我們目前所知道的情況。

根據量子力學，如果達到足夠小的尺度，那麼所有包含能量的東西，無論它是有質量的（像電子）還是無質量的（像光子），都可以分解成單獨的量子。可以把這些量子想像成能量包，它們有時表現為粒子，有時則表現為波，這取決於它們與之相互作用的東西。

自然界的一切都遵循量子物理定律，適用於更大，更宏觀系統的「經典」定律（至少在理論上）可以從更基本的量子規則中推導出來。但並不是所有的東西都是離散的，或可以被劃分為一個局部區域空間。

舉個例子，如果有一個金屬導電帶，如果想知道「導電帶中的這個電子在哪裡，」那要注意這裡不具有離散性。電子可以在任何地方，在導電帶里連續性的存在。一個自由的光子可以有任何波長和能量，這裡也沒有離散性。我們不能僅僅因為某些東西是量子化的或本質上是量子，就說關於它的一切都必須是離散的。

時空可以被量子化的概念可以追溯到海森堡。海森堡以發現不確定性原理而聞名，這個原理從根本上限制了我們無法同時測量量子的位置和動量。他意識到，當試圖在量子場理論中計算某些量時，它們的結果是發散的，或者趨於無窮。

海森堡發現，如果假定一個空間的最小距離尺度，這些無窮就會消失。從物理上說，這個理論被重整化，這意味著我們可以合理地計算事物。

想像一下，把一個量子粒子放在一個盒子里，那這個粒子在哪裡呢？對此，我們可以進行測量，並且會有一個與之相關的不確定性：不確定性與?/L成正比，其中?是約化普朗克常數，L是盒子的大小。

通常情況下，不確定部分（?/L）與主體本身相比是很小的，但如果L太小，情況就不是這樣了。事實上，如果L很小，那麼添加我們通常忽略的附加項，比如(?/L)^2，我們將得到甚至更大的修正值。這就是為什麼我們往往引入一個「截止尺度」，或者是最小尺度的L。這個最小距離尺度可以讓我們在量子物理中省去很多麻煩。

當把非量子化的引力考慮在內時，就會發現，引力放大了由海森堡提出的位置固有的不確定性。普朗克長度（約為1.6×10^-35米）是長度的下限，低於這個長度的距離是無意義的。自20世紀90年代以來，這種觀點以弦理論的新化身出現。

但是我們沒有關於引力的最終理論，所以我們不知道這個問題是否真正意味著空間是離散的。當海森堡試圖重整費米的β衰變理論時，出現了原先的問題，如果沒有最小長度範圍，它就無法起作用。不過由於電弱理論和標準模型的發展，我們不再需要一個離散的最小長度尺度來處理放射性衰變。一個更好的理論沒有它也能奏效。

那麼對於時空是否被量子化了這個問題，我們進行到什麼程度了？有三個主要的可能性，每一個都不可思議。

（1）空間和/或時間是離散的。想像有一個最短的長度，那這裡有一個問題，在愛因斯坦的相對論中，可以在任何地方放下一個想像的尺子，這個尺子根據觀察者相對於它移動的速度而變短。如果空間被量子化，以不同速度運動的人會測量到不同的基本長度範圍。

這有力地表明，將會有一個「優先的」參考系，它穿過空間的一個特定速度會有最大可能的長度，而其他所有參考系的會更短。不是每個人都喜歡這個觀點，它要求放棄一些物理上很重要的東西，比如洛倫茲不變性或局部性。離散化時間也給廣義相對論帶來了很大的問題。

（2）空間和時間都是連續的。我們現在所認知到的問題並不是不可克服的問題，而是擁有一個不完整的量子宇宙理論造成的。空間和時間有可能真的是連續的，即使它們本質上是量子，也不能被分解成基本單位。它可能是一種泡沫狀的時空，在微小的尺度上有巨大的能量波動，但可能不會有最小的尺度。當我們成功地找到引力的量子理論時，可能就有一個連續且量子的結構。

（3）空間和/或時間可以是離散的，也可以是連續的.但是這裡有一個我們能達到的有限分辨度，這涉及了什麼是「真實的」或「基本的」和什麼是可測量的之間區別的核心。假設有一個連續的結構，但是我們的觀察能力是有限的。當我們到達一個足夠小的距離尺度時，它就會變得模糊。我們可能無法看到它是真的連續的還是離散的，只能說低於一定長度範圍我們就無法解決結構問題。

令人難以置信的是，實際上可能確實有一種方法能夠測試是否有最小長度尺度。物理學家雅各布?貝肯斯坦曾提出了一個絕妙的想法，讓一個光子穿過晶體，使它移動的幅度很小。因為光子能量（連續的）可以微調，而晶體與光子的動量相比是非常巨大的，所以它應該能夠檢測出晶體運動的「步驟」是離散的還是連續的。在有一個足夠低能量光子的情況下，如果空間被量子化，晶體要麼移動一個量子步驟，要麼根本不動。

有一種觀點認為，在時間或者空間中可能存在最小的尺度。或許一切都是量子的，但並非一切都是離散的。在愛因斯坦的相對論中，空間和時間仍然被看作是一個連續結構的兩個相連的部分。在量子場理論中，時空是量子之舞的連續性舞台。但是，應該還有一個有關引力的量子理論。「離散的還是連續的？」這個問題包含了一些不可思議的可能性，包括低於一定範圍我們無法知道的可能性。儘管許多物理學家有著不同的假設，但我們需要更多的信息，才能真正知道我們的宇宙在基本層面上是什麼樣的。

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