時空泡沫（spacetime foam），是惠勒（John Wheeler）1915年根據量子力學提出的概念，所以又叫惠勒泡沫。
在廣義相對論中，愛因斯坦將時空描述為在根本上是光滑的，只有在受到能量或物質的作用下才會發生扭曲。然而一些量子物理學家們對此持有不同意見，他們認為時空並不是連續的，而是由大量微小的粒子組成的，這些粒子不斷出現和消失。
科學家發現量子理論應用於儘可能小尺度的空間，此時空間本身就變得不穩定，無法保持連續性，在受到擾動後形成時空泡沫，換句話說這些時空泡沫可自發形成。
量子泡沫是極小尺度（普朗克長度量級）下量子振盪的定性描述。在這麼小的時空尺度下，不確定關係使粒子和能量瞬間產生，然後瞬間湮滅。隨著我們討論時空尺度的縮小，虛粒子能量將增加。根據愛因斯坦的廣義相對論，能量將使時空彎曲，這意味著足夠小尺度下能量的“泡沫”式漲落將大到足以在較大尺度下觀測到相對平滑時空的顯著偏離。但我們必須有一個量子引力理論才能指出在什麼樣的尺寸下才能出現這樣的量子泡沫，現有的各種量子理論不能精確地描述這麼小尺度下的物理。
量子泡沫被認為是由非常高能量的虛粒子產生的。虛粒子概念出現於量子場論中，當粒子發生相互作用時，虛粒子短暫地產生並湮滅；儘管虛粒子從未被實際觀測到，但根據虛粒子概念預言的效應被實際觀測到了。虛粒子可被認為在真空中短暫地產生並湮滅，這種真空漲落會影響真空的性質，導致非零能量即真空能的存在；按量子力學概念，這是一種零點能。
時空，也就是三維空間乘以時間，看起來是平滑而不具備任何結構的。然而科學家用量子力學理論預測，時空不是平滑的，它像泡沫一樣，不斷地波動著，包含許多小的、不斷變化的部分——在這裡空間與時間並沒有明確的界限，而是不斷變換的。這就是所謂的時空泡沫。
“理解時空泡沫的一種方法是想象你坐在飛機上飛越海洋，海洋看起來是完全平滑的。但是，如果飛機飛得足夠低，你可以看到波浪，再低一些，你就可以看到泡沫，以及泡沫裡不斷顫動的微小氣泡。”佛羅里達理工大學的埃裡克·伯爾曼說，“而我們的研究，就像坐在一架飛得極高的飛機上，試圖觀察那些原子級別的泡沫。”
科學家曾預測，時空泡沫大概是氫原子核直徑的億分之一，因此它是無法被直接探測到的。然而，如果時空確實具有泡沫性結構，而且這些泡沫是不斷變化的，那麼它們的大小應該是有邊界的，因為只有這樣，距離才可以被測量。
也有科學家使用對遙遠類星體的X射線和伽馬射線的觀測結果來檢驗時空泡沫的理論模型。他們假設，對於穿越數十億光年的光源來說，距離不確定性的積累，會導致這個光源影像質量下降，以至於這種物質無法被探測到，而影像消失之時的波長受所使用的時空泡沫理論模型影響。
錢德拉X射線天文臺對數十億光年以外的類星體的觀測排除了一種理論模型。這種理論模型認為光子在時空泡沫中隨機擴散，就像光在霧中擴散一樣。費米伽馬射線太空望遠鏡以及VERITAS對類星體較短的伽馬射線光波的探測證明，第二種所謂的“宇宙全息模型”也行不通。
“我們發現這些數據可以排除關於時空泡沫的兩種理論。”項目參與者、北卡羅來納州立大學的傑克·尼格說。他們的研究發現，時空並不像一些理論模型預測的那樣泡沫化——時空泡沫的直徑大約是氫原子核的千分之一，比之前預測的要大得多。
虛粒子引發時空泡沫，宇宙可能永遠看不清。在量子力學的尺度上，科學家預言宇宙中存在虛粒子，後續的粒子物理實驗也不斷觀測到這些粒子現象。當遙遠宇宙的光通過長距離的空間時，由虛粒子引發的時空泡沫就會產生干擾，這可能是未來望遠鏡觀測上的一個技術瓶頸。
多重宇宙存在的可能性是由宇宙膨脹理論提出的。觀點認為宇宙在大爆炸後一秒分之幾的瞬間以指數方式增長，膨脹速度遠超過光速。該理論的有些版本認為宇宙的某些區域膨脹速率超過其它區域，從而產生了單獨的時空泡沫，或可能發展出自己的單獨宇宙。
密歇根理工大學科學家羅伯特·涅米洛夫(Robert Nemiroff)表示：“如果這種泡沫真的存在，那麼其粒徑必定要小於普朗克長度，這就可能意味著需要涉及其它的物理學領域。”所謂普朗克長度是一種幾乎小到難以置信的長度單位，其具體數值大約相當於一顆氫原子直徑的萬萬億分之一。
