原子现在是如此普遍的概念，以至于很难记住它们曾经显得多么激进。 当科学家在几个世纪前首次假设原子时，他们对能够观察到如此小的东西感到绝望，许多人质疑原子概念是否可以被称为科学。 然而，随着时间的推移，原子的证据逐渐积累，并在阿尔伯特·爱因斯坦 1905 年对布朗运动（流体中尘埃颗粒的随机抖动）的分析中达到了临界点。 即使在那时，物理学家又花了 20 年才发展出解释原子的理论——即量子力学——又花了 30 年物理学家埃尔温·穆勒才制作出原子的第一张显微镜图像。 如今，整个工业都建立在原子物质的特性之上。
物理学家对空间和时间组成的理解正沿着类似的道路前进，但落后几个步骤。 正如材料的行为表明它们由原子组成一样，空间和时间的行为表明它们也具有某种精细尺度的结构——要么是时空“原子”的镶嵌，要么是其他精细的结构。 物质原子是化学化合物的最小不可分割单元； 同样，假定的空间原子是距离的最小不可分割单元。 人们普遍认为它们的大小约为 10–35 米，对于当今最强大的仪器来说太小而无法看到，这些仪器探测的距离短至 10–18 米。 因此，许多科学家质疑原子时空的概念是否可以被称为科学。 然而，其他研究人员并未气馁，他们正在提出间接探测这种原子的可能方法。
最有希望的方法涉及宇宙观测。 如果我们想象将宇宙的膨胀倒退回时间，我们看到的所有星系似乎都汇聚到一个无限小的点：大爆炸奇点。 在这一点上，我们当前的引力理论——爱因斯坦的广义相对论——预测宇宙具有无限的密度和温度。 这一刻有时被誉为宇宙的开始，物质、空间和时间的诞生。 然而，这种解释走得太远了，因为无限值表明广义相对论本身失效了。 为了解释大爆炸时真正发生了什么，物理学家必须超越相对论。 我们必须发展量子引力理论，这将捕捉到相对论所看不到的时空的精细结构。
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该结构的细节在原始宇宙的稠密条件下发挥了作用，其痕迹可能在当今物质和辐射的排列中幸存下来。 简而言之，如果时空原子存在，那么找到证据不需要几个世纪，就像找到物质原子一样。 幸运的话，我们可能会在未来十年内知道答案。
空间碎片
物理学家已经设计了几种量子引力的候选理论，每种理论都以独特的方式将量子原理应用于广义相对论。 我的工作重点是环量子引力理论（简称“环引力”），该理论是在 20 世纪 90 年代使用两步程序开发的。 首先，理论家们在数学上重新表述了广义相对论，使其类似于经典的电磁理论； 该理论的同名“环”是电场线和磁场线的类似物。 其次，遵循创新的程序，其中一些程序类似于纽结数学，他们将量子原理应用于环。 由此产生的量子引力理论预测了时空原子的存在 [参见 Lee Smolin 的文章“时空原子”；《大众科学》，2004 年 1 月]。
其他方法，例如弦理论和所谓的因果动力学三角剖分，本身并不预测时空原子，而是提出了其他可能使足够短的距离不可分割的方式 [参见 Cliff Burgess 和 Fernando Quevedo 的文章“伟大的宇宙过山车之旅”；《大众科学》，2007 年 11 月，以及 Jan Ambjørn、Jerzy Jurkiewicz 和 Renate Loll 的文章“自组织量子宇宙”；《大众科学》，7 月]。 这些理论之间的差异引起了争议，但在我看来，这些理论与其说是矛盾，不如说是互补。 例如，弦理论对于粒子相互作用的统一观点非常有用，包括弱引力。 为了理清奇点处发生的事情（引力很强的地方），环量子引力的原子结构更有用。
该理论的力量在于它能够捕捉时空的流动性。 爱因斯坦的伟大见解是，时空不仅仅是宇宙戏剧展开的舞台。 它本身就是一个演员。 它不仅决定了宇宙中物体的运动，而且它还在演变。 物质和时空之间会产生复杂的相互作用。 空间可以增长和收缩。
环量子引力将这种洞察力扩展到量子领域。 它采用我们对物质粒子的熟悉理解，并将其应用于时空原子，从而提供对我们最基本概念的统一看法。 例如，电磁量子理论描述了没有光子等粒子的真空，添加到该真空中的每个能量增量都会产生一个新的粒子。 在引力的量子理论中，真空是时空的缺失——一种彻底的空虚，我们几乎无法想象。 环量子引力描述了添加到真空中的每个能量增量如何产生一个新的时空原子。
时空原子形成一个致密、不断变化的网格。 在远距离上，它们的活力产生了经典广义相对论的演化宇宙。 在正常条件下，我们永远不会注意到这些时空原子的存在； 网格间距非常紧密，以至于看起来像一个连续体。 但是，当空间时间充满能量时（就像大爆炸时一样），时空的精细结构就成为一个因素，环量子引力的预测与广义相对论的预测有所不同。
由吸引变为排斥
应用该理论是一项极其复杂的任务，因此我和我的同事使用简化的版本，这些版本捕捉了宇宙真正重要的特征，例如宇宙的大小，而忽略了不太重要的细节。 我们还不得不调整物理学和宇宙学的许多标准数学工具。 例如，理论物理学家通常使用微分方程来描述世界，微分方程指定了物理变量（例如密度）在时空连续体中每个点的变化率。 但是，当空间时间是粒状的时，我们转而使用所谓的差分方程，将连续体分解为离散的间隔。 这些方程描述了宇宙如何沿着允许它随着增长而占据的大小阶梯攀升。 当我在 1999 年着手分析环量子引力的宇宙学意义时，大多数研究人员预计这些差分方程只会以伪装的形式重现旧的结果。 但意想不到的特征很快就出现了。
引力通常是一种吸引力。 一团物质往往会在自身重量的作用下坍塌，如果其质量足够大，引力就会压倒所有其他力，并将球体压缩成奇点，例如黑洞中心的奇点。 但环量子引力表明，时空的原子结构改变了极高能量密度下引力的性质，使其具有排斥性。 将空间想象成海绵，将质量和能量想象成水。 多孔海绵可以储水，但只能储存一定量。 完全浸湿后，它无法再吸收更多水分，反而会排斥水分。 同样，原子量子空间是多孔的，并且具有有限的能量存储空间。 当能量密度变得太大时，排斥力就会发挥作用。 相比之下，广义相对论的连续空间可以存储无限量的能量。
由于力平衡中的量子引力变化，永远不会出现奇点——无限密度的状态。 根据该模型，早期宇宙中的物质具有非常高但有限的密度，相当于每个质子大小的区域中有一万亿个太阳。 在如此极端的情况下，引力充当排斥力，导致空间膨胀； 随着密度降低，引力转变为我们都熟悉的吸引力。 惯性使膨胀持续至今。
事实上，排斥引力导致空间以加速的速度膨胀。 宇宙学观测似乎需要这样一个早期的加速时期，称为宇宙暴胀。 随着宇宙膨胀，驱动暴胀的力逐渐减弱。 一旦加速结束，多余的能量就会转移到普通物质，普通物质开始填充宇宙，这个过程称为再加热。 在当前模型中，暴胀在某种程度上是临时的——为了符合观测结果而添加的——但在环量子宇宙学中，它是时空原子性质的自然结果。 当宇宙很小时，其多孔性质仍然非常重要，加速会自动发生。
时间之前的时间
如果没有奇点来划定时间的开始，那么宇宙的历史可能会比宇宙学家曾经认为的更久远。 其他物理学家也得出了类似的结论 [参见 Gabriele Veneziano 的文章“时间开始的神话”；《大众科学》，2004 年 5 月]，但他们的模型很少能完全解决奇点问题； 大多数模型，包括弦理论的模型，都需要假设在这个令人不安的点上可能发生了什么。 相比之下，环引力能够追踪奇点处发生的事情。 基于环的场景虽然公认是简化的，但它们建立在一般原则之上，并避免引入新的临时假设。
使用差分方程，我们可以尝试重建遥远的过去。 一种可能的场景是，最初的高密度状态是在先前存在的宇宙在引力的吸引力下坍塌时出现的。 密度变得如此之高，以至于引力转变为排斥力，宇宙再次开始膨胀。 宇宙学家将这个过程称为“反弹”。
第一个经过彻底研究的反弹模型是一个理想化的案例，其中宇宙高度对称，仅包含一种物质。 粒子没有质量，彼此之间没有相互作用。 尽管这个模型很简单，但最初理解它需要一组数值模拟，这些模拟直到 2006 年才由宾夕法尼亚州立大学的 Abhay Ashtekar、Tomasz Pawlowski 和 Parampreet Singh 完成。 他们考虑了代表宇宙的波在大爆炸之前和之后的传播。 该模型清楚地表明，波不会盲目地沿着经典轨迹进入奇点的深渊，而是一旦量子引力的排斥力开始发挥作用，就会停止并返回。
这些模拟的一个令人兴奋的结果是，量子力学中臭名昭著的不确定性在反弹过程中似乎仍然相当缓和。 波在整个反弹过程中都保持局部化，而不是像量子波通常那样扩散开来。 从字面上看，这个结果表明反弹之前的宇宙与我们自己的宇宙非常相似：受广义相对论支配，并且可能充满了恒星和星系。 如果是这样，我们应该能够从我们的宇宙向后推断时间，穿过反弹，并推断出之前发生了什么，就像我们可以根据两个台球碰撞后的路径重建它们碰撞前的路径一样。 我们不需要知道碰撞的每一个原子尺度的细节。
不幸的是，我随后的分析打破了这种希望。 该模型以及数值模拟中使用的量子波被证明是一种特殊情况。 总的来说，我发现波会扩散开来，量子效应足够强大，足以引起重视。 因此，反弹不是排斥力短暂的推动，就像台球的碰撞一样。 相反，它可能代表了我们的宇宙从几乎难以理解的量子态中涌现出来——一个高度波动的动荡世界。 即使先前存在的宇宙曾经与我们的宇宙非常相似，它也经历了一段漫长的时期，在此期间，物质和能量的密度强烈且随机地波动，扰乱了一切。
大爆炸之前和之后的波动彼此没有强烈的关联。 大爆炸之前的宇宙可能与之后宇宙的波动非常不同，而且这些细节并没有在反弹中幸存下来。 简而言之，宇宙患上了悲剧性的健忘症。 它可能在大爆炸之前就存在，但反弹期间的量子效应抹去了几乎所有关于这段史前史的痕迹。
一些记忆碎片
这种对大爆炸的描述比奇点的经典观点更为微妙。 广义相对论在奇点处会失效，而环量子引力能够处理那里的极端条件。 大爆炸不再是物理学的开端或数学奇点，但它确实对我们的知识施加了实际限制。 无论幸存下来的是什么，都无法提供先前发生事情的完整视图。
尽管这可能令人沮丧，但它可能是一种概念上的祝福。 在物理系统中，正如在日常生活中一样，无序往往会增加。 这个原理被称为热力学第二定律，是反对永恒宇宙的论据。 如果秩序在无限的时间跨度内一直在减少，那么宇宙现在应该如此混乱，以至于我们在星系以及地球上看到的结构几乎不可能存在。 适量的宇宙健忘症可能会通过为年轻、成长的宇宙提供一张白板来拯救局面，而无需考虑之前可能积累的所有混乱。
根据传统热力学，没有真正意义上的白板； 每个系统始终在其原子的配置中保留其过去的记忆 [参见 Sean M. Carroll 的文章“时间之箭的宇宙起源”；《大众科学》，6 月]。 但是，通过允许时空原子的数量发生变化，环量子引力使宇宙比经典物理学所暗示的拥有更大的清理自由。
所有这些并不是说宇宙学家对探测量子引力时期不抱希望。 引力波和中微子是特别有希望的工具，因为它们几乎不与物质相互作用，因此以最小的损失穿透了原始等离子体。 这些信使很可能为我们带来关于接近甚至早于大爆炸的时代的消息。
寻找引力波的一种方法是研究它们在宇宙微波背景辐射上的印记 [参见 Robert R. Caldwell 和 Marc Kamionkowski 的文章“来自大爆炸的回声”；《大众科学》，2001 年 1 月]。 如果量子引力排斥力驱动了宇宙暴胀，这些观测结果可能会发现一些线索。 理论家还必须确定这种新颖的暴胀源是否可以重现其他宇宙学测量结果，特别是宇宙微波背景中看到的早期物质密度分布。
与此同时，天文学家可以寻找随机布朗运动的时空类似物。 例如，时空的量子涨落可能会影响光在长距离上的传播。 根据环引力，光波不可能是连续的； 它必须适合空间的晶格。 波长越小，晶格对其的扭曲就越大。 从某种意义上说，时空原子缓冲了波。 因此，不同波长的光以不同的速度传播。 尽管这些差异很小，但它们可能会在长途旅行中累积起来。 遥远的源，如伽马射线暴，为观察这种效应提供了最大的希望 [参见 William B. Atwood、Peter F. Michelson 和 Steven Ritz 的文章“极端宇宙之窗”；《大众科学》，2007 年 12 月]。
就物质原子而言，从古代哲学家首次对原子进行推测性建议到爱因斯坦对布朗运动的分析（后者确立了原子作为实验科学的主题）之间，已经过去了 25 多个世纪。 时空原子的延迟应该不会那么长。
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注意：本文最初印刷时的标题为“跟随反弹的宇宙”。