一个由微小的随机块组成的宇宙

O科学中最关键但却被低估的成就之一是用数学来描述物理宇宙，特别是使用连续的、平滑的数学函数，比如正弦波如何同时描述光和声音。这有时被称为牛顿的第零运动定律著名的三定律体现了这样的功能。

20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)给牛顿的宇宙带来了深刻的震动，他指出，空间既因质量而弯曲，又与时间有内在的联系。他称这个新概念为时空。虽然这个想法令人震惊，但它的方程是平滑的，连续的，就像牛顿的一样。

但最近，少数研究人员的一些发现表明，随机性实际上是时空本身固有的，牛顿第零定律在小尺度上也不成立。

让我们来探究一下这意味着什么。

首先，什么是时空?你可能还记得平面几何如果你在一个平面上取两个点通过第一个点画出x和y轴(意思是起源)，那么两点之间的距离就是√x²+ y²，其中x和y是第二点的坐标。在三维空间中，相似距离是x的平方根²+ y²+ z²．这些距离是常数;如果你用其他方式画坐标轴，它们的值是不变的。

牛顿的第零定律是科学上最被低估的成就之一。

在四维空间里呢，第四维空间是时间?在四维坐标系中的一个点叫做事件:由x, y, z在特定时间t指定的位置。那么两个事件之间的“距离”是多少?有人可能会想，通过类比，它应该是√x²+ y²+ z²+ t²．但事实并非如此。如果你用不同的方式画坐标，“距离”就会改变，所以它不能被认为是一个距离。爱因斯坦发现恒定距离是x的平方根²+ y²+ z²- - - - - - ct²，其中c为光速。如果你改变坐标轴的绘制方式，x, y, z和t的值很可能会改变，但是√x²+ y²+ z²- - - - - - ct²不会的。对爱因斯坦来说，x、y、z和t维度实际上是一个概念的元素，他称之为时空。

爱因斯坦通过一套聪明而又高度复杂的逻辑推理得出，对引力的解释是几何时空本身的曲率。曲率是质量存在的结果。根据爱因斯坦的理论，如果宇宙中根本没有质量，时空就会是“平坦的”，也就是说没有曲率。

要想象空间的曲率，可以想象一只在球面上的平面虫子。虫子怎么知道他不在一个无限平面上呢?如果虫子朝一个方向走了一段时间，它最终会回到它开始的地方。或者，如果在表面上，虫子画了一个直角的x轴和y轴，他会发现从原点到任意点的距离不等于√x²+ y²．这只聪明的虫子很可能推断出他是在一个弯曲的空间里。

所以曲率影响两点之间的距离，质量决定了曲率。

这基本上就是爱因斯坦对时空的思考。但他的相对论只是20世纪物理学两个革命性的胜利之一;另一个是量子力学。那么，我们自然会问:量子力学是如何影响时空的几何结构的?这是当今物理学中最重要的问题之一。随机时空似乎是答案的一部分。

量子力学的核心是海森堡测不准原理，它说(在其他事情中)每个物理系统都必须有一些剩余能量，即使它的温度是绝对零度。这种剩余能量被称为零点能量，甚至在时空的“真空”中也有它。在真空中，粒子和反粒子不断产生，然后相互碰撞并湮灭。粒子的突然出现和消失导致真空零点能量在时间上波动。因为能量等于质量(E=mc²)，质量产生时空曲率，真空能量涨落产生时空曲率涨落。这反过来又导致时空中点之间距离的波动，这意味着，在小尺度上，时空是嘈杂的和随机的，或“随机的”。距离和时间变得模糊。

如果我们观察一个不太小的区域的量子涨落，这个区域内的涨落会趋于平均。但如果我们观察一个无限小的区域——一个点——我们会发现能量是无限的。我们可能会想:要捕捉到我们感兴趣的物理现象，要有多小才能做到，而又不能小到能量变得巨大?用什么单位来测量这个距离?

在真空中，粒子和反粒子不断出现。

为了回答这个问题，我们遵循了量子力学之父马克斯·普朗克(Max Planck)的思路，他提出了距离的“自然单位”可能是什么——不是基于米或英尺等任意标准的东西。他提出了一个用通用常数表示的自然单位:真空中的光速(c）;引力场常数，表示引力场的强度(G）;我们现在称之为普朗克常数(h)，表示粒子的能量与其频率之间的关系。普朗克发现他可以构造一个距离，现在被称为普朗克长度，l_P，用公式l_P=（hGc / 2π^3.）^1／2．

普朗克长度是一个很短的距离，大约10^-35年米。它比质子的直径还小一亿万亿分之一——小到无法测量，可以说，小到无法过被测量。

但是普朗克长度很重要。弦理论已经完全抛弃了点，并提出普朗克长度是可能的最短长度。新的量子环引力理论也提出了同样的观点。在非常小的体积中无限能量的问题被巧妙地避免了，因为非常小的体积是被禁止的。

普朗克长度还有一个重要的方面。相对论预言，观察者在快速移动的参照系中测量到的距离会缩小，也就是所谓的距离洛伦兹收缩．但是普朗克长度是特殊的——它是唯一可以由常数推导出来的长度c，G,h因此，它在所有参考系中可能保持相同的值，而不受任何洛伦兹收缩的影响。但是普朗克长度是由普朗克常数推导出来的，所以它在所有参照系中必须有相同的值;它不会因为洛伦兹收缩而改变。这意味着相对论不适用于这种尺度。我们需要一些新的科学解释来解释这一现象，而随机时空可能会提供这一解释。普朗克长度不能被洛伦兹收缩所缩短的观点表明，它是长度的基本量子或单位。因此，维数小于普朗克长度的体积可以说是不存在的。因此，普朗克长度很可能是时空“颗粒”大小的候选者，这是时空中最小的可能片段。

马克斯·普朗克想知道什么是自然的距离单位——某种基于通用常数的单位。

现在，我们终于可以描述我们的"随机时空"了首先，它是颗粒状的，大约是普朗克长度的尺度。

其次，这些颗粒之间的距离没有明确定义。量子力学认为，物体质量越大，其量子特性就越不明显。因此，我们预计，随着时空区域内质量的增加，该区域将变得不那么随机。(这与相对论的情况类似，一个区域的质量越大，该区域的曲率就越大。)我们的理论是，如果宇宙中没有质量，时空就不会像爱因斯坦的相对论那样是平的，而是完全随机的:实际上是没有定义的。没有质量，我们为什么还需要空间?

第三，在随机时空中，不像在弦理论和量子环引力理论中，这些粒子能够相对于彼此漂移，因为在那个尺寸尺度中固有的随机性。把这些颗粒想象成一盒弹珠。随机性就像轻轻地摇动盒子，让弹珠可以四处移动。人们希望漂浮的体积元素(弹珠)可以解释为什么相对论似乎不适用于普朗克长度。这是因为相对论是一种需要牛顿第零定律的理论，而牛顿第零定律要求平滑连续的数学函数——但是在普朗克长度附近，平滑的函数被认为会失效。

艾萨克·牛顿会感到惊讶。他认为空间和时间是一个没有特点的空洞，只是一个框架，他把他的三大运动定律的方程式加在上面。毕竟，这是我们每个人在日常生活中所看到的。相反，随机时空理论假设了一个颗粒状的、不确定的时空，超越了平滑的、连续的函数。

人们希望量子力学方程能从时空本身的性质推导出来——而不是随意扔在建筑物顶部的屋顶，而是建在地基上的一根梁。

在获得理论物理学博士学位后，卡尔·弗雷德里克先是在美国国家航空航天局(NASA)做研究员，之后在康奈尔大学(Cornell)工作。他现在在一家高科技初创公司工作，是一名职业科幻小说作家。