如果时空是颗粒状的......

来源：原理 微信公众号（principia1687）

每年，美国加州的死亡谷都会迎来近百万的游客，他们被沙丘曲折的优美结构所吸引，翻涌而上、蜿蜒而下的沙丘美得动人心魄，形成美轮美奂的山脊。对一个遥远的观察者来说，这可能是一片单一的固体，只在不知不觉中随时间的推移变换形态。而对于物理学家来说，它们可以是时空的模型。

○ 死亡谷连绵起伏的沙丘看似平滑，但实际上是由无数颗的沙粒组成的。| 图片来源：Brocken Inaglory/Wikimedia Commons

物理学家巴格诺尔德（Ralph Bagnold）是最早陈述一个任何游客都能清楚看到的事实的人：这个巨大的结构是由无数微小的沙粒组成的。他毕生致力于完善沙丘基于颗粒而非流体结构的数学描述，并对许多沙丘表面的波纹特征做出了正确的解释。

在爱因斯坦著名的广义相对论中，时空通常被认为是完全光滑的，只是偶有弯曲之处。但一些物理学家认为，在最小的尺度上，时空可能是颗粒状的。和巴格诺尔德一样，这些物理学家也超越了对光滑的大尺度结构的观测，分析每一个微小颗粒的效应。尽管这类观点还不是物理学界的主流，但最近一篇发表在《物理评论快报》上的论文暗示，颗粒状时空有可能（且仅限于可能）解决当今天文学中最紧迫的两个问题。

第一个问题是广义相对论和量子力学这两个数学框架之间的不一致性。广义相对论通过引入扭曲的时空来描述质量和引力的行为，而量子力学关注的则是微小粒子的行为。这二者在各自的机制范围内都运行得出奇的好，但当出现一个在非常小的空间内拥有非常大的质量的系统时，问题就出现了，比如在大爆炸时，再比如在黑洞的中心。在那些地方，这些理论就被瓦解成了数学上的乱码，常常相互矛盾。物理学家正在寻找一种能把广义相对论和量子力学结合起来的“大一统理论”，尽管他们已经提出很多不同理论，但目前仍没有哪个理论能令人完全满意。

第二个问题是宇宙的膨胀。早在约一个世纪之前，我们就已经知道星系之间的空间在快速增长，但直到几十年前，天文学家才意识到这种增长实际上在加速，这让科学家大为震惊。按道理说，在具有吸引力的引力作用下，宇宙膨胀的速度应该是要减慢的。就比如扔向空中的苹果在反向回落之前会减速一样，因此按天文学家预计，宇宙不应该加速膨胀，而是减速。为了解答这个难题，物理学家作出了他们能想到的唯一合乎逻辑的事，那就是在数学公式中添加了一个额外的项，以此抵消引力的影响，并给它取名为——暗能量。虽然暗能量在宇宙中占70%的比重，但没有人知道什么是暗能量，也没有人知道它为什么存在，这是一个被称为暗能量之谜的难题。

这是物理学中最突出的两个问题。许多杰出的大脑已经着手开始发展可用来解释这些谜团中的一个或两个的候选理论，但目前没有任何一个能被科学界完全接受。然而在这些理论中，某些概念往往会反复出现。法国马赛第一大学的物理学家Alejandro Perez说：“这些理论都是候选理论，是尝试性的，它们存在很多仍悬而未决的问题。但是，它们都有一个共同的观点，那就是时空可能是离散的。”

在大统一理论的众多候选中，量子引力是其中的一种可能性，根据量子引力的一些变体来看，空间是由数量大到惊人的微粒状实体组成的，每一个微粒的尺度大小为10⁻³⁵米（普朗克长度）。当物质在时空中运动时，它会从一个粒子跳到另一个粒子，不存在所谓的“介于两者之间”的东西。与这种粒子结构相比，其他物质都是如此之大，以至于只能看到明显平滑的大尺度时空曲率，但这样只是看到了整个图景的一部分——就像研究沙丘时不考虑每一粒沙粒的效应那样。

○ 物理学家认为时空是一个连续的实体，在存在物质的情况下会发生扭曲。然而，时空很可能是颗粒状的，而不是光滑的。| 图片来源：Johnstone/Wikimedia Commons

想象一下，你沿着沙丘的砂质地表骑着自行车前行，如果在某个时刻停止踩踏板，那么自行车很快就会停下来，因为自行车的动能在慢慢流失，转化为热能和声能，转移到周围的空气和沙子之中去。同样的道理，如果时空也是颗粒状的，数学计算表明，少量的能量会从物质中转换出来，那么它就开始表现得完全像暗能量一样。

当然，这个理论存在一个明显的问题：如果能量在时空中“丧失”，我们难道不会注意到吗？所有的物理学都是建立在能量不能消失的概念之上的，我们称这个概念为能量守恒。从技术上讲，这个理论并没有废除能量守恒，因为能量只是转化了，但事实是它会从我们的测量中消失。在最近的一篇论文中，Perez与墨西哥国立自治大学的Daniel Sudarsky试图通过一系列数量级的计算来阐明这个问题。

首先他们推断，只有在非常小的尺度上，时空才会是颗粒状的，这比我们期望能测量的尺度要小得多。这样的颗粒结构造成从物质中转移出来的能量也必然是极小的。他们还计算出，能量损失与密度的平方成正比；由于现代宇宙相对稀疏，因此目前的能量损失是很小的。根据计算，整个地球需要耗费1千万年的时间，才能通过这个过程失去仅相当于一个电子质量的能量！目前的技术还远无法测量如此微小的效应，因此研究人员不可能在实验室中进行测量。

但是，微小的效应可以累积成更大的效应。Perez和Sudarsky把从宇宙大爆炸之后的10⁻¹¹秒开始，到现在为止的宇宙中已经消失的所有能量加在了一起。在理论上，我们对时空的粒状性质知之甚少，有的只是一些线索。而Perez和Sudarsky就是利用这些线索，通过引入一个编码理论不确定性的参数，估算出了结果的数量级。

令人兴奋的是，他们的结果显示，通过这个机制失去的能量，与现如今在宇宙中观测到的暗能量是相吻合的！如果这个结果真的正确，那么这将是第一个可观测的量子引力表现。不仅如此，它还将解开暗能量之谜——用一个美丽的理论解决两个难懂的理论。

当然，这一切仍只是猜测。Perez认为还需对这个理论展开更多的研究工作，这样就有可能发展出可测试的预测。他特别感兴趣于黑洞这个在奇点处具有无限密度的天体。这是否意味着这些区域正在以无限大的速率产生暗能量？对于这个问题，Perez表示他无从知道答案。但是，如果天文学家在黑洞周围发现了更高浓度的暗能量，那么就将有可能成为支持这一理论的一个观点。

虽然，将这个想法变为宇宙模型的一部分还有很长的一段路要走，但它真的非常有趣。Perez思考问题的角度是从普朗克提出的能量的量子化假说出发的，这是一个直到多年以后，人们才清楚理解它所蕴含的含义的假说。目前，我们并不真正理解普朗克尺度下的物理，但或许这只是时间的问题。

原文链接：http://physicsbuzz.physicscentral.com/2019/07/the-sands-of-spacetime-researchers.html