宇宙的结构——量子化

抛开玩笑不谈，今天我们要说的是正经事。

在物理学中，有一个叫做普朗克长度的东西。这是物理存在的任何事物的最短跨度。

根据理论物理学的最新进展，空间不再是一个无限可分的连续体。它根本不像以前想象的那样光滑，而是有颗粒状的，而普朗克长度给出了其可能的最小颗粒的大小。

光传播这段荒谬距离所需的时间（大约10^-43秒）被称为普朗克时间，是最短的假想时钟。将这两个想法结合起来，你就会得到空间和时间具有结构的想法。也就是说，通常所说的无特征的虚空现在由微小的粒子或量子组成。

颗粒感的暗示来自于将广义相对论与量子力学结合起来的尝试。结果应该是一个统一的理论，有时称为量子引力，它解释了宇宙中的所有粒子和力。

这些统一努力中最著名的是弦理论，以及一种鲜为人知的称为圈量子引力的方法，强烈表明时空具有细粒度的结构。正是想象虚空可能是什么样子，才让物理学家们拓展了他们的想象力。

一点历史

自古希腊以来，一些哲学家就坚持认为现实必须是完全光滑的，就像实数的连续体一样：选取任意两点，无论彼此有多接近，它们之间都会有无限的渐变。其他人则认为，在最小的尺度上，一切无疑都被划分为不可约的单位，比如所谓的自然数，并且在 3 和 4 之间没有任何东西。

19 世纪现代原子理论的发展推动科学将宇宙视为凹凸不平的结构，而不是光滑的结构。上世纪初，马克斯·普朗克发现光是以数据包的形式发出的。这一意想不到的发现催生了量子场论，其中除重力外，所有自然力都由微小粒子或量子承载。

广义相对论继续用完全不同的术语来解释引力：引力是称为时空的完全光滑连续体的曲率。这颗行星弯曲了周围的时空结构，导致其他物体向它移动，就像弹珠从山上滚下来一样。

科学家们长期以来一直认为，将这两种理论结合起来将表明，重力与其他力一样，本质上也是量子的，并且由称为引力子的中间粒子携带。但是，虽然其他力可以被认为是在空间和时间中起作用，但重力是一种时空力。量化其中一个相当于量化另一个。

毫不奇怪，在宏观世界中，时空的粒度被忽视了。即使是构成质子、中子和其他粒子的微小夸克也太大了，无法感知普朗克尺度上可能存在的不规则性。然而，最近物理学家提出，夸克和其他一切物体都是由更小的物体构成的：在 10 维中振动的超弦。在普朗克的水平上，时空的交织将像在放大镜下检查最细的尼龙线一样明显，揭示其基础和结构。

普朗克本人是第一个猜测最小可能尺寸的人。他指出，他可以从宇宙的三个基本参数开始——引力常数（测量引力的强度）、光速和普朗克自身常数（测量量子颗粒）——并将它们组合起来，使它们相互抵消。彼此产生长度。他不确定这个后来被称为普朗克长度的含义，但他觉得这一定是非常简单的东西。

20 世纪 50 年代，物理学家约翰·惠勒 (John Wheeler) 提出，普朗克长度标志着量子力学的随机运动将空间和时间剧烈混合在一起的边界，以至于传统的测量观念变得毫无意义。他将这一结果称为“量子泡沫”。

弦理论

物理学家仍在试图找出最小长度的奇怪后果。在超弦理论中，一种称为 T 对偶性的数学关系表明，圆只能被压缩到一定程度。随着半径的减小，圆变得越来越小，直到到达底部，突然变得好像越来越大。

此行为意味着圆具有最小“真实”尺寸。许多人认为，这将与普朗克尺度大致相当。

还有其他颗粒状迹象。根据海森堡的不确定性原理，某些数量对是“不可交换的”：您无法同时测量粒子的位置及其动量，或者例如其能量和寿命。你对一件事了解得越准确，你对另一件事的了解就越模糊。

在弦理论中，空间本身的几何形状可能是不可交换的，因此不可能同时以完美的精度测量粒子的水平和垂直位置。空间本身的颗粒感会妨碍。

圈量子引力

并不是所有从事统一工作的人都是弦理论家。来自完全不同的方向，圈量子引力学科的研究人员开发了一种理论，根据该理论，空间是由称为自旋网络的抽象数学对象构建的。

想象一个微小的粒子像陀螺一样绕着自己的轴旋转。现在让他在太空中进行一次循环。根据粒子穿过的空间的爱因斯坦形状，它返回时其轴会向不同方向倾斜。这种变化给出了空间如何弯曲的想法。

通过使用具有不同自旋的粒子，理论学家可以更详细地探索宇宙。不同的轨迹可以组合成一个称为自旋网络的网络，它捕获了您需要了解的有关空间如何弯曲（物理学家称之为几何形状）的所有信息。

假设您坐在一张桌子旁。要计算其面积，您需要将经过它的网络所有链路的背面相加，然后乘以普朗克长度的平方。这里的含义是，表面的概念是自旋网络产生的错觉。

情况变得更加奇怪。在量子力学中，绕原子核运行的电子被视为概率云：电子所有可能位置一起振动的“叠加”。根据一些物理学家的说法，宇宙本身是所有可想象的自旋网络的叠加——所有可能的弯曲方式。

时间

时间在图画中的位置在哪里？自旋网络提供了特定时刻三维空间几何形状的快照。为了描述时空，理论学家将自旋网络延伸到第四维，发明了他们所谓的自旋泡沫。切开它，每个无限薄的横截面都是一个自旋网络。

最令人费解的是，无法想象纺丝网和纺丝泡沫存在于空间和时间中。它们处于更基本的层面，就像构成时空本身并产生时空本身的深层结构一样。

从这个角度来看，宇宙是纯数学的产物。而空间和时间作为一切发生的舞台的旧观念似乎不再适用。