時空是平滑的還是厚實的？這個問題歷來已就是兩個物理流派之爭，但是時空的本質到底是什麼呢？我們知道，我們宇宙的四維結構，是三維加上時間，那麼時空最終在最微小的尺度上到底是平滑的，還是別的什麼？

這似乎是不可能測量的，但隨著先進望遠鏡的力量透過數十億光年的距離窺視，科學家開始初窺時空的奧秘！

時空：初窺門徑

說到時空，我們不得不提到萬有引力。時空彎曲的原因就是萬有引力造成的，證明時空彎曲的一個最著名的例子就是發生日全食的時候，掠過太陽表面的星光會發生偏轉，也就是說光線被太陽所吸引而引起微小偏轉，愛因斯坦認為這就是時空彎曲，而且引力越大，時空彎曲越顯著。愛因斯坦的廣義相對論是我們理解萬有引力的唯一途徑，通過這個棘手的數學難題，我們了解了所謂的「時空」，一個四維結構(三維空間和一維時間)交織成一個統一的結構。

在相對論的理論中，物質和能量彎曲和扭曲時空的結構，作為回應，時空的彎曲和扭曲可以告訴我們物質和能量如何移動，而現在我們共同體驗的東西就是「引力」。

為了讓廣義相對論的數學原理起作用，這個時空結構必須在最小尺度上絕對平滑。不管你把鏡頭拉近多遠，時空都將像一件新熨過的襯衫一樣沒有褶皺，沒有洞，沒有眼淚，沒有纏結。純粹，乾淨，平滑。如果沒有這種平滑性，引力的數學運算就會崩潰。

但廣義相對論並不是唯一告訴我們時空的東西。我們也有量子力學(以及它的繼承者，量子場論)。在量子世界裡，一切微觀的東西都是由隨機的機會和機率決定的。粒子可以在一瞬間出現和消失。而能量場可以用它們自己的意志擺動和振動，也就是說沒有什麼是可以確定的。就像薛丁格的貓，在你打開蓋子之前，裡面的一切都是不確定性的。

因此，正如物理學家約翰·惠勒(John Wheeler)在1960年指出的那樣，如果我們把時間縮小到儘可能小的尺度(所謂的普朗克尺度，大約是十億分之十億分之十億分之十億分之十億分之一米)，時空就不應該看起來是平滑的。相反，它應該是一團翻滾、沸騰的混亂——一團充滿粒子的憤怒的泡沫湯，不斷地在時空中撕裂孔洞，然後在宏觀世界的任何人注意到之前把它們修補起來。

可能存在同時正確的時空概念

但是我們不可否認，這兩種時空觀可能同時是正確的。要麼廣義相對論是正確的，時空是平滑的，要麼量子力學是正確的，時空是厚實的。物理學家認為，最終的答案在於兩種觀點的結合，即所謂的量子引力。不，我們目前還不知道最終的答案是什麼。所以如果我們能打開時空，看看最微小的尺度，也許我們能得到一些線索，知道到底發生了什麼。

如果時空真的是泡沫而褶皺的，那麼這應該會影響任何通過時空的物體。例如，一束光沿著它愉快的路徑將會遇到各種微觀的顛簸。有時這些小碰撞會給光一個推力，推高它的能量水平，有時光會遇到一個小減速帶，減慢它的速度。但是無論如何，最終的結果是，光在充滿泡沫的時空中傳播時，會以能量的形式緩慢擴散。

這種效應非常非常微小，以至於我們不可能在實驗室里測量它。但幸運的是，大自然可以為我們提供一個實驗室。如果我們能在太空中找到一束連貫的光束(換句話說，一束自然空間雷射)，而這束光束經過數十億年的時間到達我們的望遠鏡，我們就能測量能量的傳播，並利用它來測量時空的泡沫。

來自遙遠時空的證據

那麼在現實中，我們可以看到時空的線索嗎？天文學家們指出了一個完美的源頭:一個普通的氣體雲，位於180億光年之外。使這種特殊的氣體雲特別有用的是兩個事實。第一，在它的後面有一個明亮的光源，照亮了它。第二，雲里有鐵，它以特定的波長吸收背景光。

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所以從我們在地球上的有利位置來看，如果時空是完全平滑的，由氣體雲引起的背景光的間隙應該和氣體雲就在我們旁邊一樣窄。但是，如果時空是泡沫狀的，那麼在數十億光年範圍內傳播的光就會擴散開來，改變縫隙的寬度。

但是天文學家沒有發現任何泡沫的跡象，不過這並不意味著它不存在。這只是意味著，如果時空是泡沫的，我們需要超過180億光年才能用我們目前的技術看到它。但研究結果排除了一些量子引力模型。如果未來的實驗確實發現了泡沫的跡象呢?這將是我們進入量子引力世界的第一個窗口，這是物理學家自20世紀50年代以來一直在尋找的東西，它將顛覆我們的物理學！