原子現在是如此普遍的概念，以至於很難記住它們曾經顯得多麼激進。 當科學家在幾個世紀前首次假設原子時，他們對能夠觀察到如此小的東西感到絕望，許多人質疑原子概念是否可以被稱為科學。 然而，隨著時間的推移，原子的證據逐漸積累，並在阿爾伯特·愛因斯坦 1905 年對布朗運動（流體中塵埃顆粒的隨機抖動）的分析中達到了臨界點。 即使在那時，物理學家又花了 20 年才發展出解釋原子的理論——即量子力學——又花了 30 年物理學家埃爾溫·穆勒才製作出原子的第一張顯微鏡影像。 如今，整個工業都建立在原子物質的特性之上。
物理學家對空間和時間組成的理解正沿著類似的道路前進，但落後幾個步驟。 正如材料的行為表明它們由原子組成一樣，空間和時間的行為表明它們也具有某種精細尺度的結構——要麼是時空“原子”的鑲嵌，要麼是其他精細的結構。 物質原子是化學化合物的最小不可分割單元； 同樣，假定的空間原子是距離的最小不可分割單元。 人們普遍認為它們的大小約為 10–35 米，對於當今最強大的儀器來說太小而無法看到，這些儀器探測的距離短至 10–18 米。 因此，許多科學家質疑原子時空的概念是否可以被稱為科學。 然而，其他研究人員並未氣餒，他們正在提出間接探測這種原子的可能方法。
最有希望的方法涉及宇宙觀測。 如果我們想象將宇宙的膨脹倒退回時間，我們看到的所有星系似乎都匯聚到一個無限小的點：大爆炸奇點。 在這一點上，我們當前的引力理論——愛因斯坦的廣義相對論——預測宇宙具有無限的密度和溫度。 這一刻有時被譽為宇宙的開始，物質、空間和時間的誕生。 然而，這種解釋走得太遠了，因為無限值表明廣義相對論本身失效了。 為了解釋大爆炸時真正發生了什麼，物理學家必須超越相對論。 我們必須發展量子引力理論，這將捕捉到相對論所看不到的時空的精細結構。
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該結構的細節在原始宇宙的稠密條件下發揮了作用，其痕跡可能在當今物質和輻射的排列中倖存下來。 簡而言之，如果時空原子存在，那麼找到證據不需要幾個世紀，就像找到物質原子一樣。 幸運的話，我們可能會在未來十年內知道答案。
空間碎片
物理學家已經設計了幾種量子引力的候選理論，每種理論都以獨特的方式將量子原理應用於廣義相對論。 我的工作重點是環量子引力理論（簡稱“環引力”），該理論是在 20 世紀 90 年代使用兩步程式開發的。 首先，理論家們在數學上重新表述了廣義相對論，使其類似於經典的電磁理論； 該理論的同名“環”是電場線和磁場線的類似物。 其次，遵循創新的程式，其中一些程式類似於紐結數學，他們將量子原理應用於環。 由此產生的量子引力理論預測了時空原子的存在 [參見 Lee Smolin 的文章“時空原子”；《大眾科學》，2004 年 1 月]。
其他方法，例如弦理論和所謂的因果動力學三角剖分，本身並不預測時空原子，而是提出了其他可能使足夠短的距離不可分割的方式 [參見 Cliff Burgess 和 Fernando Quevedo 的文章“偉大的宇宙過山車之旅”；《大眾科學》，2007 年 11 月，以及 Jan Ambjørn、Jerzy Jurkiewicz 和 Renate Loll 的文章“自組織量子宇宙”；《大眾科學》，7 月]。 這些理論之間的差異引起了爭議，但在我看來，這些理論與其說是矛盾，不如說是互補。 例如，弦理論對於粒子相互作用的統一觀點非常有用，包括弱引力。 為了理清奇點處發生的事情（引力很強的地方），環量子引力的原子結構更有用。
該理論的力量在於它能夠捕捉時空的流動性。 愛因斯坦的偉大見解是，時空不僅僅是宇宙戲劇展開的舞臺。 它本身就是一個演員。 它不僅決定了宇宙中物體的運動，而且它還在演變。 物質和時空之間會產生複雜的相互作用。 空間可以增長和收縮。
環量子引力將這種洞察力擴充套件到量子領域。 它採用我們對物質粒子的熟悉理解，並將其應用於時空原子，從而提供對我們最基本概念的統一看法。 例如，電磁量子理論描述了沒有光子等粒子的真空，新增到該真空中的每個能量增量都會產生一個新的粒子。 在引力的量子理論中，真空是時空的缺失——一種徹底的空虛，我們幾乎無法想象。 環量子引力描述了新增到真空中的每個能量增量如何產生一個新的時空原子。
時空原子形成一個緻密、不斷變化的網格。 在遠距離上，它們的活力產生了經典廣義相對論的演化宇宙。 在正常條件下，我們永遠不會注意到這些時空原子的存在； 網格間距非常緊密，以至於看起來像一個連續體。 但是，當空間時間充滿能量時（就像大爆炸時一樣），時空的精細結構就成為一個因素，環量子引力的預測與廣義相對論的預測有所不同。
由吸引變為排斥
應用該理論是一項極其複雜的任務，因此我和我的同事使用簡化的版本，這些版本捕捉了宇宙真正重要的特徵，例如宇宙的大小，而忽略了不太重要的細節。 我們還不得不調整物理學和宇宙學的許多標準數學工具。 例如，理論物理學家通常使用微分方程來描述世界，微分方程指定了物理變數（例如密度）在時空連續體中每個點的變化率。 但是，當空間時間是粒狀的時，我們轉而使用所謂的差分方程，將連續體分解為離散的間隔。 這些方程描述了宇宙如何沿著允許它隨著增長而佔據的大小階梯攀升。 當我在 1999 年著手分析環量子引力的宇宙學意義時，大多數研究人員預計這些差分方程只會以偽裝的形式重現舊的結果。 但意想不到的特徵很快就出現了。
引力通常是一種吸引力。 一團物質往往會在自身重量的作用下坍塌，如果其質量足夠大，引力就會壓倒所有其他力，並將球體壓縮成奇點，例如黑洞中心的奇點。 但環量子引力表明，時空的原子結構改變了極高能量密度下引力的性質，使其具有排斥性。 將空間想象成海綿，將質量和能量想象成水。 多孔海綿可以儲水，但只能儲存一定量。 完全浸溼後，它無法再吸收更多水分，反而會排斥水分。 同樣，原子量子空間是多孔的，並且具有有限的能量儲存空間。 當能量密度變得太大時，排斥力就會發揮作用。 相比之下，廣義相對論的連續空間可以儲存無限量的能量。
由於力平衡中的量子引力變化，永遠不會出現奇點——無限密度的狀態。 根據該模型，早期宇宙中的物質具有非常高但有限的密度，相當於每個質子大小的區域中有一萬億個太陽。 在如此極端的情況下，引力充當排斥力，導致空間膨脹； 隨著密度降低，引力轉變為我們都熟悉的吸引力。 慣性使膨脹持續至今。
事實上，排斥引力導致空間以加速的速度膨脹。 宇宙學觀測似乎需要這樣一個早期的加速時期，稱為宇宙暴脹。 隨著宇宙膨脹，驅動暴脹的力逐漸減弱。 一旦加速結束，多餘的能量就會轉移到普通物質，普通物質開始填充宇宙，這個過程稱為再加熱。 在當前模型中，暴脹在某種程度上是臨時的——為了符合觀測結果而新增的——但在環量子宇宙學中，它是時空原子性質的自然結果。 當宇宙很小時，其多孔性質仍然非常重要，加速會自動發生。
時間之前的時間
如果沒有奇點來劃定時間的開始，那麼宇宙的歷史可能會比宇宙學家曾經認為的更久遠。 其他物理學家也得出了類似的結論 [參見 Gabriele Veneziano 的文章“時間開始的神話”；《大眾科學》，2004 年 5 月]，但他們的模型很少能完全解決奇點問題； 大多數模型，包括弦理論的模型，都需要假設在這個令人不安的點上可能發生了什麼。 相比之下，環引力能夠追蹤奇點處發生的事情。 基於環的場景雖然公認是簡化的，但它們建立在一般原則之上，並避免引入新的臨時假設。
使用差分方程，我們可以嘗試重建遙遠的過去。 一種可能的場景是，最初的高密度狀態是在先前存在的宇宙在引力的吸引力下坍塌時出現的。 密度變得如此之高，以至於引力轉變為排斥力，宇宙再次開始膨脹。 宇宙學家將這個過程稱為“反彈”。
第一個經過徹底研究的反彈模型是一個理想化的案例，其中宇宙高度對稱，僅包含一種物質。 粒子沒有質量，彼此之間沒有相互作用。 儘管這個模型很簡單，但最初理解它需要一組數值模擬，這些模擬直到 2006 年才由賓夕法尼亞州立大學的 Abhay Ashtekar、Tomasz Pawlowski 和 Parampreet Singh 完成。 他們考慮了代表宇宙的波在大爆炸之前和之後的傳播。 該模型清楚地表明，波不會盲目地沿著經典軌跡進入奇點的深淵，而是一旦量子引力的排斥力開始發揮作用，就會停止並返回。
這些模擬的一個令人興奮的結果是，量子力學中臭名昭著的不確定性在反彈過程中似乎仍然相當緩和。 波在整個反彈過程中都保持區域性化，而不是像量子波通常那樣擴散開來。 從字面上看，這個結果表明反彈之前的宇宙與我們自己的宇宙非常相似：受廣義相對論支配，並且可能充滿了恆星和星系。 如果是這樣，我們應該能夠從我們的宇宙向後推斷時間，穿過反彈，並推斷出之前發生了什麼，就像我們可以根據兩個檯球碰撞後的路徑重建它們碰撞前的路徑一樣。 我們不需要知道碰撞的每一個原子尺度的細節。
不幸的是，我隨後的分析打破了這種希望。 該模型以及數值模擬中使用的量子波被證明是一種特殊情況。 總的來說，我發現波會擴散開來，量子效應足夠強大，足以引起重視。 因此，反彈不是排斥力短暫的推動，就像檯球的碰撞一樣。 相反，它可能代表了我們的宇宙從幾乎難以理解的量子態中湧現出來——一個高度波動的動盪世界。 即使先前存在的宇宙曾經與我們的宇宙非常相似，它也經歷了一段漫長的時期，在此期間，物質和能量的密度強烈且隨機地波動，擾亂了一切。
大爆炸之前和之後的波動彼此沒有強烈的關聯。 大爆炸之前的宇宙可能與之後宇宙的波動非常不同，而且這些細節並沒有在反彈中倖存下來。 簡而言之，宇宙患上了悲劇性的健忘症。 它可能在大爆炸之前就存在，但反彈期間的量子效應抹去了幾乎所有關於這段史前史的痕跡。
一些記憶碎片
這種對大爆炸的描述比奇點的經典觀點更為微妙。 廣義相對論在奇點處會失效，而環量子引力能夠處理那裡的極端條件。 大爆炸不再是物理學的開端或數學奇點，但它確實對我們的知識施加了實際限制。 無論倖存下來的是什麼，都無法提供先前發生事情的完整檢視。
儘管這可能令人沮喪，但它可能是一種概念上的祝福。 在物理系統中，正如在日常生活中一樣，無序往往會增加。 這個原理被稱為熱力學第二定律，是反對永恆宇宙的論據。 如果秩序在無限的時間跨度內一直在減少，那麼宇宙現在應該如此混亂，以至於我們在星系以及地球上看到的結構幾乎不可能存在。 適量的宇宙健忘症可能會透過為年輕、成長的宇宙提供一張白板來拯救局面，而無需考慮之前可能積累的所有混亂。
根據傳統熱力學，沒有真正意義上的白板； 每個系統始終在其原子的配置中保留其過去的記憶 [參見 Sean M. Carroll 的文章“時間之箭的宇宙起源”；《大眾科學》，6 月]。 但是，透過允許時空原子的數量發生變化，環量子引力使宇宙比經典物理學所暗示的擁有更大的清理自由。
所有這些並不是說宇宙學家對探測量子引力時期不抱希望。 引力波和中微子是特別有希望的工具，因為它們幾乎不與物質相互作用，因此以最小的損失穿透了原始等離子體。 這些信使很可能為我們帶來關於接近甚至早於大爆炸的時代的訊息。
尋找引力波的一種方法是研究它們在宇宙微波背景輻射上的印記 [參見 Robert R. Caldwell 和 Marc Kamionkowski 的文章“來自大爆炸的回聲”；《大眾科學》，2001 年 1 月]。 如果量子引力排斥力驅動了宇宙暴脹，這些觀測結果可能會發現一些線索。 理論家還必須確定這種新穎的暴脹源是否可以重現其他宇宙學測量結果，特別是宇宙微波背景中看到的早期物質密度分佈。
與此同時，天文學家可以尋找隨機布朗運動的時空類似物。 例如，時空的量子漲落可能會影響光在長距離上的傳播。 根據環引力，光波不可能是連續的； 它必須適合空間的晶格。 波長越小，晶格對其的扭曲就越大。 從某種意義上說，時空原子緩衝了波。 因此，不同波長的光以不同的速度傳播。 儘管這些差異很小，但它們可能會在長途旅行中累積起來。 遙遠的源，如伽馬射線暴，為觀察這種效應提供了最大的希望 [參見 William B. Atwood、Peter F. Michelson 和 Steven Ritz 的文章“極端宇宙之窗”；《大眾科學》，2007 年 12 月]。
就物質原子而言，從古代哲學家首次對原子進行推測性建議到愛因斯坦對布朗運動的分析（後者確立了原子作為實驗科學的主題）之間，已經過去了 25 多個世紀。 時空原子的延遲應該不會那麼長。
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注意：本文最初印刷時的標題為“跟隨反彈的宇宙”。