空間和時間是量子化的嗎？也許並非如此

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群星璀璨、萬物有理

縱觀整個科學史，理解宇宙的主要目標之一就是發現什麼是其最基本的。在現代宏觀世界中，人類所能觀察並與之相互作用的許多事物都是由更小的粒子和支配它們的基本定律組成。所有事物都是由元素構成的想法可以追溯到幾千年前，從鍊金術到化學到原子，再到標準模型，還包括量子宇宙的基本概念。

我們經常把空間想像成一個三維網格，當考慮時空的概念時，這只是一個相關框架的過度簡化。關於空間和時間是離散的還是連續的，以及是否可能存在最小尺度的問題仍然沒有得到解答。圖片：ReunMedia / Storyblocks

儘管有很好的證據表明宇宙中所有基本實體在某種程度上都是量子，但這並不意味著一切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，空間和時間在基本層面上可能仍然是連續的，就無法證明一切都是離散和量子化的，這就是人類迄今為止所知道的。

所有無質量粒子都以光速運動，包括光子、膠子和引力波，它們分別攜帶著電磁、強核和引力相互作用。可以把每一個量子能量看作是離散的，但是否可以對空間和或時間本身持有相同看法是未知的。圖片：NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

量子力學概念是在足夠小的範圍內，所有包含能量的東西，無論是巨大的(像電子)還是無質量的(像光子)都可以分解成單個的量子。可以把這些量子想像成能量包，它們有時表現為粒子，有時表現為波，這取決於它們與什麼事物發生相互作用。

自然界中的每一件事物都遵循量子物理定律，「經典」定律適用於更大、更宏觀的系統，並且可以（至少在理論上）從更基本的量子規則中推導出來。但並非所有事物都是離散量子化的，或者被劃分成局部區域空間。

此圖是關於鑥-177的能級差異，只有特定、離散的能級是合理的，雖然能級是離散的，但是電子的位置並不離散。圖片：M.S. Litz and G. Merkel Army Research Laboratory, SEDD, DEPG Adelphi, MD

舉個例子：如果有一個金屬的導電帶，然後問「佔據這個帶的電子在哪裡?」電子在頻帶內可以是任意的、連續的。一個自由光子可以有任何波長和能量，在那裡沒有任何離散性可言。某物質是量子化的，或者本質上是量子，並不意味著它一切都必須是離散的。

時空（空間和時間，因為與愛因斯坦的相對論密不可分）可以被量化的觀點可以追溯到海森堡。著名的不確定性原理從根本上限制了如何精確地測量特定的量(如位置和動量)。海森堡發現，當試圖在量子場論中計算它們時，某些量會發散，或者趨於無窮。

這張圖說明了位置和動量之間的內在不確定關係，當一方被更精確地知曉時，另一方在本質上是不太可能被知道。圖片：Wikimedia Commons user Maschen

如果假設空間的距離是最小，那麼這些不定式就會消失。從數學或物理的角度來說，這個理論變得可重構，這意味著我們可以準確地計算。可以通過想像在盒子里放了一個量子粒子來直觀地理解它。「粒子在哪裡?」你發出疑問，因此你可以測量，但同時與之關聯的不確定性會出現：不確定性是/ L成正比，其中是普朗克常數，L是盒子的大小。

如果把某一粒子限制在一個空間中，並嘗試測量它的性質，就會有與普朗克常數和盒子大小成正比的量子效應出現。如果盒子很小，低於一定的尺度，這些性質是不可能計算出來的。圖片：Andy Nguyen / UT-Medical School at Houston

通常情況下與其本身主要部分相比不確定性(/ L)只是很小的一部分，但如果L足夠小就不會是這種情況。如果事實如此，那通過添加通常忽略的附加項，比如（L / 2），將開始進行更大的修正；這就是為什麼它很容易引入一個「截止比例」或一個不被允許變小的L。這種最小距離尺度可以在量子物理學中為我們省去很多麻煩。

當考慮到非量化引力時，正如物理學家奧爾登·米德在20世紀60年代所展示的那樣：引力放大了海森堡固有的位置不確定性。在距離普朗克長度（10的負35次方米）以下尺度是不可能的存在的。自20世紀90年代以來，這一論點在弦論中以新的形式出現。

大型強子對撞機最新記錄顯示我們在宇宙中相互作用的物體範圍非常大，從宇宙尺度下至約10 ^ - 19米的範圍。然而到達普朗克尺度扔有很長很長的路要走。圖片：University of New South Wales / School of Physics

但是沒有一個最終的引力理論，所以我們不知道空間必然是離散的這一問題是不是真的不可逾越。海森堡最初的困難來自於他試圖將費米理論的β衰變重新修正。如果沒有最小的尺度，它是不能成立的。由於電弱理論和標準模型的發展，不再需要一個離散的最小尺度來處理β衰變，一個更好的理論在沒有它的情況下也可以做得很好。

量子引力試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學結合起來。經典重力的量子修正可視為環圖（如圖中所示的白色），空間（或時間）本身是離散還是連續的尚未確定。圖片：SLAC National Accelerator Lab

那麼我們現在在空間和時間是否被量化的問題上處於什麼位置呢？主要有三種可能性會出現，每一種可能性都有著讓人著迷的含義。

1、時間或空間是離散的

想像一下，如果有可能最短尺度出現，那該怎麼辦？這必然會有一個問題出現：在愛因斯坦的相對論中，可以把一個虛無的尺度放在任何地方，而且它會根據你相對於它的移動速度而縮短。如果空間被量化，人們將可以以不同的速度移動測量出不同的基本長度尺度！

圖示是由於質量而產生的波紋和變形時空結構。然而即使在這個空間中發生了許多事情，它本身也不需要被分解成單獨的量子。

這強烈地表明將有一個「特權」的參考系出現，其中一個特定速度通過空間將擁有最大可能的尺度，而所有其他的速度將會變得更短。不是每個人都欣賞這個觀點，這一觀點會讓你放棄一些重要的物理知識，比如洛倫茲的不變性或局部性。正如約翰·貝茲和比爾·魯所指出的那樣：離散化時間也給廣義相對論帶來了重大問題。

2、時間和空間都是連續的

另一方面，我們現在看到的問題可能並不是無法克服的，而是量子宇宙不完整理論的產物。空間和時間可能是連續的，即使它們是量子性質，但它們不能被分解成基本。它可能是一種泡沫狀的時空，在微小的尺度上有巨大能量波動，但可能沒有最小的尺度。當我們成功地找到量子引力理論時，它可能有一個連續而不量子化的結構。

量子泡沫概念說明其中的量子漲落有巨大變化，並且在最小的尺度上非常重要。空間固有能量在這些尺度上的波動很大。圖片：NASA/CXC/M.Weiss

3、空間和/或時間可能是離散或連續的，然而獲得的解析度有限

這就觸及了「真實」、「根本」之間的區別，以及什麼是可測量的。假設有一個連續的結構，但是觀察能力是有限，當這個結構縮小到一定的距離時就會有些模糊。也就看不出它到底是連續的還是離散的。只能說我們目前還不能解決結構低於一定的長度尺度。

光通過色散稜鏡並分離成清晰顏色的例子是和許多中高能光子撞擊晶體時發生情況類似。如果用一個光子來設置這個晶體移動量可以是一個離散的空間「級別」。圖片：Wikimedia Commons user Spigget

不可思議的是可能有一種方法能測試出是否有最小的尺度存在。物理學家雅各布·貝肯斯坦在他去世三年之前在一項實驗中提出了一個絕妙的想法：一個光子穿過一個晶體使它移動一個微小的量。因為光子可以在能量上(連續地)調諧，並且與光子的動量相比，晶體的質量非常大，所以應該能夠檢測出晶體運動的「步驟」是離散還是連續的。如果有足夠低能量光子，並且空間是量子化的；晶體要麼會移動單個量子階級，要麼根本不會移動。

圖是一個平直、空曠，沒有任何形式物質、能量或曲率的空間。如果這個空間從根本上來說是離散的，應該能夠設計一個實驗，至少在理論上能展示出這一行為。圖片：Amber Stuver / Living Ligo

在空間或時間上可能存在一個最小的可能尺度，這是一個迷人的概念，從它第一次被提出以來一直困擾著物理學家。當然，一切物質都由量子組成，但不是所有物質都是離散的。在愛因斯坦的相對論中，空間和時間仍然被視為連續結構的兩個相連部分。在量子場論中，時空是量子之舞的連續舞台。但它的核心應該是量子引力理論。「離散還是連續的？」這個問題包含了一些迷人的可能性，還包括在一定範圍內無法知道的可能性。儘管許多人想方設法解決這一問題，但在這一點上需要更多的信息，才能真正了解宇宙在基本層面上的水平。

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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