原子現在是一個如此普遍的概念，以至於我們很難想起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，他們絕望地認為永遠無法觀察到如此微小的東西，許多人質疑原子概念是否可以被稱為科學。然而，逐漸地，原子的證據積累起來，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。即便如此，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·穆勒才製作出第一張原子的顯微鏡影像。如今，整個產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，但落後了幾個步驟。正如材料的行為表明它們由原子組成一樣，空間和時間的行為也表明它們也具有某種精細結構——要麼是時空“原子”的鑲嵌，要麼是其他一些細絲結構。物質原子是化合物最小的不可分割單元；同樣，假想的空間原子是距離最小的不可分割單元。它們通常被認為大小約為 10
−35 米，對於當今最強大的儀器來說太小了，無法看到，這些儀器探測的最短距離為 10−20 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。其他研究人員並沒有氣餒，他們正在提出可能間接檢測到這種原子的方法。
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最有希望的方法涉及對宇宙的觀測。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：宇宙大爆炸奇點。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。這一刻有時被宣傳為宇宙的開始，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。為了解釋宇宙大爆炸中真正發生了什麼，物理學家必須超越相對論。我們必須發展出量子引力理論，該理論將捕捉到相對論視而不見的精細時空結構。
這種結構的細節在早期宇宙的稠密條件下發揮了作用，其痕跡可能在當今的物質和輻射排列中倖存下來。簡而言之，如果時空原子存在，那麼找到證據不會像物質原子那樣花費幾個世紀。幸運的話，我們可能會在本十年內知道答案。
空間的碎片
物理學家設計了幾種量子引力候選理論，每種理論都以獨特的方式將量子原理應用於廣義相對論。我的工作重點是圈量子引力理論（簡稱“圈引力”），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“圈”是電場線和磁場線的類似物。其次，遵循創新的程式，其中一些類似於結的數學，他們將量子原理應用於圈。由此產生的量子引力理論預測了時空原子的存在[參見李·斯莫林著《時空原子》；《大眾科學》，2004 年 1 月]。
其他方法，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，而是提出了其他一些足夠短的距離可能是不可分割的方式[參見克利夫·伯吉斯和費爾南多·奎維多著《偉大的宇宙過山車》；《大眾科學》，2007 年 11 月，以及揚·安比約恩、耶日·尤爾凱維奇和雷納特·洛爾著《自組織量子宇宙》；《大眾科學》，2008 年 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很有用，包括引力較弱的情況。為了理清奇點處發生的事情（引力很強），圈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。愛因斯坦的偉大洞察力在於，時空不僅僅是宇宙戲劇上演的舞臺。它本身就是一個演員。它不僅決定了宇宙內物體的運動，而且還在不斷演化。物質和時空之間會發生複雜的相互作用。空間可以增長和收縮。
圈引力將這種洞察力擴充套件到量子領域。它採用了我們熟悉的物質粒子理解，並將其應用於時空原子，從而提供了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，新增到這個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。圈引力描述了新增到這個真空中的每個能量增量如何產生一個新的時空原子。
時空原子形成了一個稠密、不斷變化的網格。在長距離上，它們的活力產生了經典廣義相對論的演化宇宙。在通常條件下，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，當宇宙像宇宙大爆炸時那樣充滿能量時，時空的精細結構就成為一個因素，圈引力的預測與廣義相對論的預測有所不同。
被排斥力吸引
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，例如其大小，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，微分方程指定了時空連續體中每個點的物理變數（例如密度）的變化率。但是，當 spacetime 是顆粒狀時，我們改為使用所謂的差分方程，它將連續體分解為離散的間隔。這些方程描述了宇宙如何在它增長時爬上它被允許採取的大小階梯。當我在 1999 年開始分析圈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重現舊結果，只是換了種形式。但是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縮，如果其質量足夠大，引力就會壓倒所有其他力，並將球壓縮成奇點，例如黑洞中心的奇點。但是圈引力表明，時空的原子結構改變了極高能量密度下的引力性質，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，它就無法再吸收更多水分，而是會排斥水分。同樣，原子量子空間是多孔的，並且能量的儲存空間有限。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。
由於量子引力引起的力平衡變化，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內有一萬億個太陽。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，引力轉變為我們都知道的吸引力。慣性使膨脹持續到今天。
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，驅動暴脹的力逐漸消退。一旦加速結束，剩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，暴脹有些特別——為了符合觀測結果而新增的——但在圈量子宇宙學中，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，加速就會自動發生。
時間之前的時間
如果沒有奇點來劃分時間的開始，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[參見加布裡埃萊·韋內齊亞諾著《時間起點的神話》；《大眾科學》，2004 年 5 月]，但他們的模型很少能完全解決奇點；大多數模型，包括弦理論的模型，都需要假設在這個不安定的點可能發生了什麼。相比之下，圈引力能夠追溯奇點處發生的事情。雖然基於圈的場景是公認的簡化，但它們建立在一般原則之上，避免了引入新的特別假設。
使用差分方程，我們可以嘗試重建遙遠的過去。一種可能的 сценарий 是，最初的高密度狀態是在一個先前存在的宇宙在引力的吸引力作用下坍縮時產生的。密度增長到如此之高，以至於引力轉變為排斥力，宇宙開始再次膨脹。宇宙學家將這個過程稱為反彈。
第一個被徹底研究的圈反彈模型是一個理想化的案例，其中宇宙高度對稱，並且只包含一種物質。粒子沒有質量，彼此之間沒有相互作用。雖然這個模型很簡單，但理解它需要一組數值模擬，這些數值模擬直到 2006 年才由當時都在賓夕法尼亞州立大學的阿貝·阿什泰卡爾、托馬斯·帕夫洛夫斯基和帕拉姆普里特·辛格完成。他們考慮了代表宇宙的波在宇宙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。從字面上理解，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及時地回溯，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個原子尺度的細節。
不幸的是，隨後的各種分析都打破了這個希望。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，並且量子效應足夠強大，足以被重視。因此，反彈不是排斥力的短暫推動，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不可思議的量子態中出現——一個充滿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——甚至時間本身的流逝。
宇宙大爆炸之前和之後的波動彼此之間沒有強烈的關聯。宇宙大爆炸之前的宇宙可能與之後宇宙的波動方式非常不同，並且這些細節沒有在反彈中倖存下來。簡而言之，宇宙患有嚴重的健忘症。它可能在宇宙大爆炸之前就存在，但反彈期間的量子效應幾乎抹去了所有關於這段史前史的痕跡。
一些記憶的碎片
宇宙大爆炸的這種圖景比經典奇點觀點更為微妙。當廣義相對論在奇點處完全失效時，圈量子引力能夠處理那裡的極端條件。宇宙大爆炸不再是物理的開始或數學奇點，但它確實對我們的知識施加了實際限制。任何倖存下來的東西都無法提供關於之前發生的事情的完整觀點。
儘管這可能令人沮喪，但這可能是一種概念上的祝福。在物理系統中，就像在日常生活中一樣，無序往往會增加。這個原理被稱為熱力學第二定律，是對永恆宇宙的一種論證。如果秩序在無限的時間跨度內一直在減少，那麼宇宙現在應該非常混亂，以至於我們在星系和地球上看到的結構幾乎是不可能的。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紙來拯救局面，而不管之前可能積累了多少混亂。
根據傳統熱力學，沒有真正意義上的白紙；每個系統都以其原子的配置保留了對其過去的記憶[參見肖恩·M·卡羅爾著《時間之箭的宇宙起源》；《大眾科學》，2008 年 6 月]。但是，透過允許時空原子的數量發生變化，圈量子引力允許宇宙比經典物理學暗示的更自由地進行整理。
所有這一切並不是說宇宙學家沒有希望探測量子引力時期。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來自接近甚至早於宇宙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[參見羅伯特·R·考德威爾和馬克·卡米昂科夫斯基著《來自宇宙大爆炸的回聲》；《大眾科學》，2001 年 1 月]。如果量子引力排斥引力驅動了宇宙暴脹，那麼這些觀測可能會發現一些暗示。理論家還必須確定這種新型的暴脹源是否可以重現其他宇宙學測量，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。根據圈引力，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，時空原子會衝擊波。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。伽馬射線暴等遙遠源提供了看到這種效應的最佳希望[參見威廉·B·阿特伍德、彼得·F·米歇爾森和史蒂文·裡茨著《極端宇宙之窗》；《大眾科學》，2007 年 12 月]。
在物質原子的情況下，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。時空原子的延遲不應那麼長。