爱因斯坦错了吗？为什么一些天体物理学家在质疑时空理论

　　为了更好地理解宇宙，我们可能需要废除一直以来最重要的理论之一。
　　我们是否必须消灭时空理论才能理解宇宙？
　　与历史一样，革命是科学的命脉。不安的暗流沸腾，直到出现一个新政权夺取政权。然后每个人的注意力都转向推翻他们的新统治者。这在物理学和天文学史上已经发生过很多次了。
　　首先，我们认为地球是太阳系的中心这个想法已经存在了1000多年。然后哥白尼伸出脖子说，如果我们只是另一个绕太阳运行的行星，整个系统会简单得多。尽管最初有很多反对意见，但在新发明的望远镜的证据的重压下，旧的地心图最终还是失败了。
　　接着，牛顿解释了引力是行星绕太阳运行的原因。他说所有有质量的物体都有相互的引力。根据他的想法，我们绕着太阳运行是因为它在拉着我们，月亮绕着地球运行是因为我们在拉着它。在1915年爱因斯坦提出广义相对论取代牛顿之前，牛顿统治了两个半世纪。这幅新图像巧妙地解释了水星轨道上的不一致性，并在1919年非洲海岸的一次日食观测中得到了著名的证实。
　　爱因斯坦认为引力是弯曲空间的结果，而不是拉力。他说，宇宙中的所有物体都座落在一个平滑的四维结构中，称为时空。诸如太阳之类的重物扭曲了它们周围的时空，因此地球的轨道仅仅是我们的行星遵循此曲率的结果。对我们来说，这就像是牛顿的引力。这幅时空图已经在宝座上坐了100多年，迄今为止击败了所有觊觎它的人。2015年发现引力波是一个决定性的胜利，但就像之前的发现一样，它也可能会失败。这是因为它与物理动物园里的另一个庞然大物量子理论从根本上是不相容的。
　　巨大的物体扭曲了周围的空间和时间，导致附近的物体沿着弯曲的路径运动
　　众所周知，量子世界是出了名的怪异。例如，单个粒子可以同时出现在两个地方。只有通过观察，我们才能迫使它去选择。在观察之前，我们只能给可能的结果分配概率。20世纪30年代，埃尔温薛定谔设计了一种著名的方式来揭露这个想法有多么反常。他想象着一只猫在密封的盒子里，旁边有一个装有毒药的小瓶，瓶子上还有一把锤子。锤子被连接到一个测量粒子量子态的装置上。不论锤子是否砸碎小瓶并杀死猫，这都取决于测量结果，但是量子物理学说，在进行这种测量之前，粒子同时处于两种状态，这意味着小瓶既破裂又未破裂，并且猫处于是生又是死的状态。
　　这样的画面无法与平滑、连续的时空结构相协调。一个引力场不可能同时出现在两个地方，理论物理学家萨宾霍森费尔德说。根据爱因斯坦的理论，时空是被物质和能量扭曲的，但量子物理学认为物质和能量以多种状态同时存在它们可以在这里，也可以在那里。那么引力场在哪里？霍森费尔德问道。没有人能回答这个问题。这有点尴尬，她说。
　　薛定谔的猫
　　试着把广义相对论和量子理论结合起来解释，但行不通。霍森费尔德说：在某一能量之上，你得到的概率大于1。一个是最大可能的可能性这意味着结果是确定的。这你再肯定不过了。同样，计算有时会给你无限的答案，但这没有实际的物理意义。因此，这两种理论在数学上是不一致的。就像整个历史上的许多君主一样，物理学家们正在寻求敌对派系之间的联姻，以确保和平。他们正在寻找一种量子引力理论这是让这两个竞争对手分享王位的终极外交演习。这让理论家们转向了一些奇怪的可能性。
　　可以说最著名的是弦理论。它认为电子和夸克等亚原子粒子是由微小的振动弦构成的。就像你可以用乐器演奏琴弦来产生不同的音符一样，弦理论家认为不同的琴弦组合产生不同的粒子。该理论的吸引力在于它可以调和广义相对论和量子物理学，至少在理论上是这样。但是，要把那只兔子从帽子上拉出来，弦必须在11个维度上振动比爱因斯坦的时空结构中的4个要多7个。到目前为止，还没有实验证据证明这些额外的维度确实存在。这可能是一个有趣的数学问题，但是它是否描述了我们生活的时空，我们只有在进行实验之前才真正知道。
　　调和广义相对论和量子理论的一种方法是说，现实是由振动的弦构成的
　　在某种程度上受到弦理论的失败的启发，其他物理学家转向了另一种称为环圈量子引力（LQG）的替代方法。如果它们消除了广义相对论的中心宗旨之一，即时空是平滑、连续的结构，那么他们就可以让这两个理论很好地发挥作用。
　　相反，他们认为，时空是由一系列相互交织的环组成的它具有最小尺寸尺度上的结构。这有点像一块布。乍一看，它看起来像一种光滑的织物。但是，仔细观察，您会发现它实际上是由针迹网络组成的。或者，把它想象成电脑屏幕上的一张照片：放大后，你会发现它实际上是由单个像素组成的。
　　问题在于，当LQG物理学家说的很小的时候，他们的意思是真的很小。这些时空中的缺陷只会在普朗克尺度的水平上明显大约是一米的万亿分之一米的万亿分之一米。它是如此之小，以至于在一立方厘米的空间里有比整个可观测宇宙中的立方厘米还要多的循环。如果时空只在普朗克尺度上不同，那么这将很难在任何粒子加速器中进行测试，这意味着你需要一台比欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）强大1000万亿倍的原子对撞机。那么，你如何能检测到如此微小的时空缺陷呢？答案是看一大片空间。
　　从宇宙最远的地方到达这里的光沿途经过了数十亿光年的时空。虽然每个时空缺陷的影响是微小的，但在这些距离上，与多个缺陷的相互作用很可能累积成一个潜在的可观察的效应。在过去的十年中，天文学家一直在利用来自遥远伽马射线爆发的光来寻找支持LQG的证据。这些宇宙闪光是大质量恒星在生命的尽头坍塌的结果，而这些远距离引爆目前尚无法解释。霍森费尔德说：它们的光谱有一个系统性的失真，但没人知道这是否是在此途中发生的事，还是与爆发源本身有关，目前尚无定论。
　　另一幅图片说时空不是很平滑，而是由一系列微小的循环组成
　　为了取得进展，我们可能必须走得更远，而不是说时空不是爱因斯坦所认为的那种平滑、连续的结构。根据爱因斯坦的说法，时空就像一个舞台，无论演员是否在踩踏木板，它都保持在原地即使没有恒星或行星在周围跳舞，时空也仍然会在那里。然而，物理学家洛朗弗雷德尔，罗伯特利和乔丹米尼克认为这幅画使我们望而却步。他们认为时空并非独立于其中的物体而存在。时空是由物体相互作用的方式来定义的。这将使时空成为量子世界本身的产物，而不是与之结合的东西。这听起来可能很古怪，米尼克说，但这是解决问题的一种非常精确的方法。
　　这个被称为模时空的理论的吸引力在于，它可能有助于解决理论物理中另一个长期存在的关于局域性的问题，以及量子物理中一个臭名昭著的现象纠缠。物理学家可以设置一种情境，让两个粒子结合在一起，并将它们的量子性质联系起来。然后他们把它们分开很远，发现它们仍然是联系在一起的。改变其中一个的性质，另一个就会立即改变，就好像信息从一个地方传到另一个地方的速度比光速还快，直接违反了相对论。爱因斯坦对这种现象感到非常不安，他称之为远距离幽灵作用。
　　模块化时空理论可以通过重新定义分离的含义来适应这种行为。如果时空从量子世界中出现，那么量子意义上的接近比在物理意义上的接近更基本。不同的观察者对地点有不同的概念，这取决于环境。这有点像我们和其他人的关系。比起住在街上的陌生人，我们更能感觉到与远方爱人的亲近。你可以有这些非本地连接，只要他们是相当小的，弗雷德尔说。
　　阿尔伯特爱因斯坦放弃了牛顿式的引力图片，将其替换为时空
　　弗雷德尔，利和米尼克在过去五年中一直在致力于他们的想法，他们相信他们正在缓慢地取得进步。我们想要保守一点，一步一步来，米尼克说，但这是诱人和令人兴奋的。这无疑是一种新颖的方法，一种将量子世界引力化的方法，而不是像LQG那样将引力量化。然而，就像任何科学理论一样，它需要验证。目前，三人组正在研究如何将时间融入他们的模型中。
　　这听起来似乎太深奥了，只有学者才应该关注，但这可能对我们的日常生活产生更深远的影响。弗雷德尔说：我们坐在太空中，穿越时空，如果对时空的理解发生某些变化，这不仅会影响我们对引力的理解，还会影响整体上对量子理论的理解。她说：我们目前所有的设备只能基于量子理论来工作。如果我们更好地理解时空的量子结构，那将对未来的技术产生影响也许不是在50年或100年，而是200年。
　　现任的女王年事已高，新的觊觎者也早该出现了，但我们无法决定在众多选择中，哪一个最有可能成功。当我们做到这一点时，由此产生的革命不仅会为理论物理学带来成果，而且会惠及所有人。