时间是由什么粒子组成的?
广义相对论认为,时空是一个相互交织的统一网络,是我们宇宙展现自己的四维舞台。广义相对论中的时空是连续的,是一个整体,没有空隙。时空不仅是我们表演的舞台,也是一个表演者。时空的弯曲可以带给我们重力的体验。
但是在量子力学中,时空有另一种样子。量子力学统治着宇宙中所有微小的事物。量子力学认为,我们日常生活中经历的很多事情都不是连续的。在量子力学中,自然界的很多东西都是由最小的单元组成的,可以分为一部分和一部分。能量、动量、自旋和物质的许多其他特征都是一样的。
在量子力学中,有很多我们熟悉的粒子,比如电子、质子,它们无疑是不连续的、颗粒状的,它们的成分无疑可以被“分解”。但是在量子力学中,还有一个量子场。亚原子世界中的这些场是由粒子产生的,每个粒子都有自己独特的场,在时间和空间中传播。量子场的振荡让我们体验粒子。粒子之间的相互作用是通过量子场进行的。量子场是连续的。
如果把量子力学的概念推广到时空本身,就会得到一个逻辑推论,就是时空也是不连续的吗?是颗粒状的吗?它也是由最小的单元组成的吗?时间和空间可以像电脑屏幕上的图像一样分解成像素吗?我们所体验到的时空的连续性是由无数个微小的点组成的网吗?我们日常经历的连续时空只是一种错觉吗?
许多试图统一量子力学和广义相对论的假说,如弦理论和圈量子引力理论,都把时空视为不连续的、可分解的,尽管这些理论中的许多预言、解释和意义仍然难以理解。所以,如果能找到时空不连续的证据,就能从根本上改写我们对现实的认识,物理学就会有一场革命。
如果时空的不连续性表现出来,那一定是极其不明显的,否则我们早就发现了。很多理论认为,如果时空是不连续的,那么光速一定是恒定的——它会随着光子携带的能量而变化。光的能量越高,波长越短。如果它的波长足够短,就可以反映出时间和空间的不连续性。这就像走路一样。如果我们迈出一大步,就不会感受到路上的起伏。如果我们的脚步很小,我们可以体验道路的不平。对于光来说,它在时空之路上的步伐必须非常小,才能体验到时空的不连续性。要让光的步伐小到可以体验时空之路的不平,需要承载超过我们目前最强实验装置所能提供的6543.8+0亿倍的能量。
时空的本质是物理学中的一个“圣杯”。这也可能是欧空局的一个新想法被命名为“GrailQuest”的一个原因。这一设想项目的名称是“用于时空量子探索的伽马射线天文学国际实验室”的缩写,已经提交给arXiv,即将接受同行评审。
为了探测不同能量的光子是否以不同的速度飞行,我们需要收集宇宙中大量的高能光子。而这正是“寻找圣杯”计划希望做到的。“寻找圣杯”项目希望发射大量小型探测器——具体数量取决于它们的个体大小——来连续监测来自天空的伽马射线爆发。伽玛射线暴是宇宙中最强大的爆炸现象,可以产生大量高能光子,也就是伽玛射线。这些伽马射线穿越了数百亿光年,被探测器捕获。探测器可以记录这些光子携带的能量,根据每个探测器在接收伽马射线信号的过程中产生的时间差,找到光速的差异。
在足够高的精度下,“寻找圣杯”项目理论上可以发现时间和空间是否不连续。至少,这是正确的一步。首先,这些光子的能量最高;其次,这些高能光子穿越数百亿光年,有足够的时间积累效应;最后,探测器的结构足够简单,可以大量部署,尽可能覆盖整个天空,监测大量伽马射线暴。
欧空局最初计划在2035年至2050年间发射这些探测器。如果“寻找圣杯”计划发现时间和空间真的是不连续的,那么人类物理学将发生重大变化。