在量子宇宙中，空間和時間可能是連續的，而不是離散的
如果想了解宇宙在基本層面上是由什麼構成的，我們的本能會把它分成越來越小的區塊，直到我們能把它分割得不能再分割。在宏觀世界中，我們觀察、測量或以其他方式與之相互作用的許多事物是由較小的粒子構成。如果我們充分理解了作為現實基礎的最基本實體，以及支配它們的規則，我們應該能夠理解和推導出在複雜、更大的世界中看到的規則和行為。
- 圖註：我們通常將空間可視化為 3D 網格，即使當我們考慮時空概念時，這是一個依賴於幀的過度簡化。空間和時間是離散的還是連續的，以及是否有最小的長度尺度的問題仍然沒有答案。然而，我們知道，在普朗克距離尺度之下，我們無法準確預測任何事物。
對於我們所理解的物質和輻射，有非常好的證據表明，我們曾經能夠觀察到或測量的每一件事可量子化。有基本的、不可分割的和攜帶能量的量子，構成我們所知的物質和能量。但量子化並不一定意味著離散，可以是量子的，也可以是連續的。空間和時間是什麼？以下是我們將如何找出答案。
- 圖註：所有無質量粒子以光速傳播，包括光子、膠子和引力波，它們分別攜帶電磁、強核和引力相互作用。我們可以把每一個能量量子都視為離散，但是我們能否對空間或時間本身做同樣的事還不得而知。
當我們看我們對宇宙的描述，它由什麼構成，什麼法則和規則支配它，發生什麼相互作用，很顯然，沒有哪一個計算可以包含所有宇宙。量子宇宙的規則支配著非常非常小的世界，將電磁和核（弱和強）力描述為量子粒子和量子場之間的相互作用。
如果有一包含能量的物質或輻射系統，如果我們在一個足夠小的尺度上觀測它，我們會發現它可以分解成單獨的量子：能量包表現為波或粒子，這取決於它們與什麼相互作用，以及如何相互作用。儘管每個系統都必須由單個量子組成，具有質量、電荷、自旋等屬性，但並不是每個量子系統的每個屬性都具離散特性。
- 圖註：能級差異圖，請注意，只有特定的離散能級是可以接受的。雖然能級是離散的，但電子的位置不是離散的。
離散意味著我們可以將某物分成一個局部的、不同化的部分，這些部分本質上是彼此獨立。離散的對應項是連續的，沒有這樣的劃分。例如，如果我們拿一個導電帶，我們可以問一些關於電子佔據的能量級以及電子的物理位置的問題。令人驚訝的是，能量級是離散的，但電子的位置不是離散的；在這個頻帶內，它可以在任何地方。即使某些東西基本上量子化，但並不是所有關它的東西都必須離散。
現在，讓我們嘗試將引力摺疊到混合中。可以說，在最大的尺度上，宇宙中唯一的重要力，引力沒有自我一致的量子描述。我們不知道量子引力理論是否存在，儘管我們通常認為它確實存在，我們只需要找到它。
- 圖註：量子引力試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學相結合。經典引力的量子校正被形象化為循環圖，如此處以白色顯示。空間（或時間）本身是離散的還是連續的尚未確定，引力是否量子化的問題，或者我們今天所知道的粒子是否基本的問題。但是，如果我們希望對一切事物都有一個基本的理論，它必須包括量子化的領域，而廣義相對論本身並不能做到這一點。
假設量子引力存在，我們可以問一個後續問題，它將闡明宇宙的一個非常基本的屬性：空間和時間是離散的還是連續的？是否有微小的、不可分割的空間塊，它們存在於一些小尺度上，不能再分割，粒子只能從一個"跳"到另一個？時間是否能分解成均勻大小的塊，一次通過一個離散的"瞬間"？
信不信由你，空間或時間可以量化的想法不是愛因斯坦首先提出的，而是海森堡。海森堡著名的不確定原理，從根本上限制了精確測量位置和動量、能量和時間或兩個垂直方向的角動量等數量對的測量方式。如果你試圖計算量子場理論中的某些物理量，預期值會分化，或者去無窮大，這意味著他們給出了無稽之談的答案。
- 圖註：在量子水平上位置和動量之間的固有不確定性之間的例證。同時測量這兩個數量是有限制的，因為將這兩個不確定因素相乘可以產生一個必須大於特定有限量的值。當一個被更準確地知道時，另一個就不太能夠以任何有意義的準確性被知曉。
但是，在注意到這些分歧是如何發生，他意識到有一個潛在的解決方法：如果假設空間不連續，而是有它固有的最小距離尺度，這些非物質的無窮性就會消失。用數學和物理的術語來說，沒有最小距離尺度的理論屬於不可再規範化的理論，這意味著我們不能將所有可能的結果的概率加起來，形成一個整體。
然而，在最小距離尺度下，所有那些來自早期無意義的答案突然變得有意義：量子場理論現在完全可以重新規範化了。我們可以理智地計算事物，並獲得實際有意義的答案。要理解原因，想像一下，取一個我們理解的量子粒子，並將其放在一個盒子里。它就像粒子和波一樣，但必須始終被限制在盒子內。
- 圖註：如果將粒子限制在空間內，並嘗試測量其屬性，則量子效應將與普朗克的常數和框的大小成正比。如果框非常小，低於一定的長度尺度，這些屬性變得無法計算。
現在，我們決定問這個粒子的一個關鍵問題，"它在哪裡？" 我們通常會回答通過測量來確定這個粒子的位置，這意味著導致另一個量子的能量與你放在盒子里的能量相互作用。你會得到一個答案，但這個答案也有它固有的不確定性：與?/L 成正比，其中 ?是普朗克常數，L 是框的大小。
在大多數情況下，我們處理的框比我們實際感興趣的其他距離刻度大，因此即使? 較小，分數 =?/L（如果 L 較大）甚至更小。因此，與得到的測量答案相比，不確定性通常很小。
但如果L很小呢？如果 L 太小，不確定性項 "?/L"大於答案項，該怎麼辦？在這種情況下，我們通常忽略的較高階術語，如 （?/L）^2、（?/L）^3 等，不能再被忽略。修正變得越來越大，並且沒有明智的方法來解構問題。
- 圖註：我們在宇宙中與之交互的物體範圍從非常大的宇宙尺度到大約10^(-19)米，最新的記錄是由LHC創下的。熱大爆炸達到的尺度，或者普朗克尺度（大約10^(-35)米），還有很長的路要走（在大小）和上升（能量上）。
但是，如果您不將空間視為連續的，而是離散的，則對於事物的尺寸有一個較低的限制：對允許製作 L（框體大小）的大小的有效限制。通過引入截止比例尺，我們可以限制自己使用低於特定值的 L。像這樣施加最小距離，不僅解決了一個太小的盒子的病態情況，而且為我們省去了許多頭痛，否則當我們試圖計算量子宇宙如何行為時，這些頭痛會困擾我們。
在20世紀60年代，物理學家奧爾登·梅恩證明，將愛因斯坦的引力添加到量子場理論的正常組合中，只會放大位置所固有的不確定性；因此，它變得不可能理解的距離短於一個特定的尺度：普朗克距離。在大約10-35米以下，我們可以執行的物理計算給出的答案毫無意義。
- 圖註：越來越小的距離尺度揭示了更基本的自然觀，這意味著如果我們能夠理解和描述最小的尺度，我們就可以建立理解最大的尺度方法。我們不知道"空間塊"的面積是否有下限。
然而，愛因斯坦的引力理論是一個純粹的經典引力圖，因此有許多物理系統無法描述。例如，當一個電子（帶電的、巨大的、旋轉的能量量子）通過雙縫時，它就像同時穿過兩個狹縫一樣，並干擾自身。當那個電子穿過那個雙縫時，它的引力場會發生什麼？
愛因斯坦的理論不能回答它。我們假設量子引力理論存在，但我們不知道這個理論是否也需要距離尺度的截止。海森堡最初的論點來自於試圖重新規範化恩里科·費米的原始β衰變理論；電弱理論和標準模型的發展消除了對離散最小長度的需求。也許，有了量子引力理論，我們不需要最小長度尺度來重新規範化我們的所有理論。
- 如今，費曼（Feynman ）圖表用於計算跨越強力、弱力和電磁力的每個基本相互作用，包括在高能和低溫/濃縮條件下。粒子和場在量子場理論中都進行了量子化，β衰減在沒有最小長度尺度的情況下進行。也許量子引力理論將消除所有量子計算中最小長度尺度的需要。
現在，以我們今天的理解，來展望未來，空間和時間的基本性質有三種可能性。
- 空間和時間是離散的。有一個最短的長度刻度，它有一定的值。這種可能性令人興奮，因為它有助於量子場理論的重新規範化，但它給相對論帶來了巨大的問題。想像一下，我們把一個假想的標尺精確到最小允許的長度。現在，我們的朋友移動相對於標尺，而我們自己保持靜止：因為我們和我們的朋友參考了不同的測量標尺長度，從而，出現了該現象。除非你願意違反一些重要的東西，如洛倫茲不變，這種可能性就會產生大問題。
- 空間和時間是連續的。也許我們今天與引力相關的每一個"問題"，都只是沒有完整的量子宇宙理論的產物。也許空間和時間是連續的實體：量子本質，但無法被分解成基本單位。就像物質中電子的帶狀結構一樣，也許宇宙的結構也是連續的。
- 我們永遠不會知道，因為我們的解析度有一個基本的有限極限。真實和基本的東西並不總是等同於測量設備所能揭示的內容。如果空間連續，但我們觀測或測量空間的能力有限，則在一定距離尺度以下出現"模糊"。我們無法確定它是連續的還是離散的，只要低於一定長度尺度，其結構無法分辨。
- 圖：光穿過色散稜鏡，分離成清晰的單顏色，是當許多中高能光子撞擊晶體時發生的情況。如果我們用單個光子擊中這個稜鏡，並且空間是離散的，晶體只能移動離散的、有限的空間步長。
值得注意的是，我們可以進行一些不同的測試，以確定引力是量子力，以及空間本身是離散的還是連續的。雅各布·貝肯斯坦逝世前三年，他提議通過一個晶體傳遞一個單光子，這將產生動量，並使晶體輕微移動一定量。通過持續調諧光子能量，我們可以檢測出晶體移動的"步長"是離散還是連續，以及是否有一個閾值，低於這個閾值晶體根本不會移動。
此外，我們最近已經開發出一種將納米尺度的物體帶入量子態疊加能力，其精確能級取決於總的引力自能。一個足夠敏感的實驗對引力是否被量子化（或不被量子化）非常敏感，當技術和實驗技術取得必要的進展時，我們最終將能夠探測量子引力的狀態。
- 納米級原子盤能級，以及自引力效應（右）或不會（左）影響這些能級的特定值。該盤的波函數，以及它如何受到引力的影響，可能導致第一次實驗測試引力是否是真正的量子力。
在廣義相對論中，物質和能量告訴空間如何彎曲，而彎曲的空間告訴物質和能量如何移動。但在廣義相對論中，空間和時間是連續的，是非量子化的。眾所周知，所有其他力在性質上都已量子化，需要量子描述來匹配現實。我們假設並懷疑引力也能被量子化，但我們不確定。此外，如果引力最終被量子化，我們不知道空間和時間是否保持連續，或者它們是否從根本上離散。
量子並不一定意味著每個屬性都分解成不可分割的塊。在傳統的量子場理論中，時空是各種量子發揮作用的舞台，這一切的核心應該是量子引力理論。除非我們能夠確定空間和時間是離散的、連續的、還是不可避免的模糊，否則我們就無法在基本層面上了解我們的宇宙的本質。
