时空量子泡沫理论遭挑战 我们的宇宙很光滑

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为了更深入地了解时空的本质，一个科学家小组观察了遥远宇宙天体的X射线和伽马射线。他们的研究结果为当前认识的量子本质——即在非常微观的尺度上呈现“泡沫”状设定了限制。

这项研究的数据来自于多个望远镜，包括美国宇航局钱德拉X射线望远镜、费米伽马射线空间望远镜、地基甚高能辐射成像望远镜阵。在可测的长度尺度和时间尺度上，时空——即三维空间与时间的叠加——呈现出光滑性和无结构性。

然而，这却与量子力学的某些方面不相符。为了解释原子和亚原子粒子的物理性质，科学家们建立了高度完美的量子力学理论。在目前的理论中科学家认为时空不是光滑的，相反，它的本质是不稳定的泡沫状，由很多不断变化的小区域构成，在这些区域中空间和时间不再受限定，而是不断波动的。

“为了描述时空泡沫，你可以假想正在乘坐飞机从海洋上方飞过。海洋看上去是完全光滑的，然而当飞机飞得足够低时你可以看到海浪，再继续低时你可以看到不断波动的微小泡沫。”佛罗里达科学研究院的埃里克•珀尔曼说，“更进一步说，这些泡沫如此之小甚至达到了原子级别，而我们则试图从非常高的飞机上观察它们。”

据估计，时空泡沫的尺度是氢原子核直径的亿分之一，因此难以直接探测得到。然而，如果时空的结构是泡沫状的，那么距离的精确测量将变得受限，因为光线所经过的大量量子泡沫的规模会波动变化。当光线经过大尺度宇宙距离时，无论采用那种时空模型，距离测量的不确定性都将以不同的速度累积。

研究人员通过观察遥远类星体的X射线和伽马射线来检验时空泡沫模型。发表该研究的论文作者预测当光线传播数十亿光年时，累计产生的距离不确定性将大大降低图片质量，导致目标物体不可观测。根据不同的时空模型，图像在某个特定波长下呈现不可观测性。

钱德拉X射线望远镜在数十亿光年之外探测到类星体，这排除了一种模型——根据这种模型，光子在时空泡沫中随机扩散，就像光线在雾中漫射一样。费米伽马射线望远镜在较短的伽马波长探测到了类星体，地基甚高能辐射成像望远镜阵在更短波长也探测到类星体，这都排除了另一个模型——全息模型。

“我们观测的数据排除了与时空泡沫理论相关的两个不同模型，”北卡罗拉纳大学教堂山分校的杰克•吴说，“因此我们得出结论，认为时空并不像之前预料的那么地泡沫化。”X射线和伽马射线的数据显示，时空在氢原子核千分之一的尺度上就变得光滑起来。