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古怪的 时间和空间

2016-01-28  轻梳月

对于我们来说,时间和空间是一种很平常的概念,而且生活中离不开它们。比如你想要与你的朋友见面,那么就必须约定好时间和地点。但是越是平常不过的概念,越是令人难以理解。事实上物理学家到现在都没有弄懂时间和空间的本质是什么。

过去很长时间以来,牛顿的绝对时空观统治着物理学界,时间和空间是彼此独立和绝对的。“绝对”的意思就是说,它们只为物质运动提供一个“舞台”,自己本身却不受物质运动的影响,就好比一个真实的舞台,它不会随上面的演员上上下下而改变。而在上个世纪初期诞生并不断完善的相对论和量子力学,彻底颠覆了我们对于空间和时间的认识。


相对论的时空观


相对论的时空观,是说时间和空间具有相对的意义,并且彼此相互通过物质的运动联系在一起。当我们问“现在几点?”“这两点之间距离是多少?”这些问题的时候,对于一个相对我们静止的人,和一个相对我们运动的人,给出的答案是不一样的。鉴于讨论相对论的文章和书籍数不胜数,我们在这里只讨论一种极端的情况。

目前认为,光子在真空中穿行时的速度是宇宙中的最高的速度,大约为每秒30万千米。根据爱因斯坦的相对论,相对于我们的日常世界,运动着的世界里时间流逝很慢,而且速度越接近光速,时间越接近零。因此从我们的视角来看,在光子的世界里,时间就变为零了,时间不流逝,一个光子发射出来的时间和被远处其他物质吸收的时间,在光子的世界里,这两个时间是一样的,光子瞬时抵达。怪异的是不仅时间不会流逝,空间在一个方向上的距离也变为零。因为根据相对论,运动的世界在运动方向上的长度会收缩,速度达到光速时,运动方向上的长度变为零。这样从我们的视角来看,在光子的世界里,虽然有高和宽,但在运动方向上,长度被拍扁为零,光子好像生活在二维世界里。在这样的世界里时间停滞了,没有“过去”和“将来”,在其运动的方向所代表的维度上,也就没有 “前面”和“后面”这样的概念,只有“现在”和“这里”。但是我们所处的三维世界当然是有“过去”、“现在”和“将来”,也有“这里”、“前面”和“后面”之分的。


量子力学的时空观


上面介绍的就是相对论描述时空的一种极端的例子。但是量子力学下的时间和空间就完全不同的,事情变得越发蹊跷。

量子力学是描述微观世界的理论,对于一个由微观粒子组成的量子体系,量子力学中引入“波函数”来描述其全部特征,比如空间、时间、粒子自旋等等。利用描述波函数在时间里变化的方程,即薛定谔方程,就可以算出量子体系如何随时间变化的。但量子力学中这个波函数跟我们中学里学到的机械波、电磁波的波函数(比如正弦波函数、余弦波函数等)含义又不一样。中学里所说的那些波函数,那代表着真实的波动,而波函数描述的却是微观粒子处在所有可能状态的概率分布情况。

这是什么意思呢?因为在量子世界里,微观粒子有很多匪夷所思的特性,比如同时可以处于这个位置,又可以处于那个位置;同时可以具有这个能量,也可以具有那个能量,同时可以具有朝上的自旋,也可以有朝下的自旋……当然,最形象的还是那只著名的薛定谔猫,可以同时处于生和死的状态。但是处于某个位置或者某个能量或者某个自旋的概率又不是均等的,每一种状态都对应一定的概率。这个概率就可以通过波函数计算出来。所以波函数代表的其实是一种“概率波”。

在描述波函数变化的薛定谔方程中,时间和空间又没有关系,彼此独立了。在微观的粒子世界里,粒子们在匪夷所思地活动着、变化着,而时间的秒表也在滴滴答答地向前,这个时间似乎和粒子们毫无关系,时间的长河按照自己固有的流速向前流淌,而处于长河中的粒子们不论怎么折腾,都不能改变长河的流速。好像时间的秒表控制在一个处于粒子世界之外的神秘人物手里,他冷冷地旁观着粒子世界,给粒子世界计时。可惜的是,谁也不知道这位神秘人物是什么身份,以及他为什么有计时的本事。

而另一方面呢,像粒子自旋的波函数,里面完全不包含任何空间的参量。虽然我们经常拿粒子自旋与经典物体的自转相比较,但事实上微观粒子的自旋根本不是宏观意义上的自转,它根本就跟空间无关,但随着时间发生变化。所以说至少对于自旋这样的量子属性,时间比空间更为重要。

比如说电子,它只有两种状态,物理学家虽然用“自旋朝上”和“自旋朝下”来称呼,但你可别以为电子真的在做顺时针或逆时针转,这样称呼仅仅出于方便而已,你也可以将其称为状态1、状态2。如果自旋真是宏观意义上的自转,那就不好理解了:为何电子只能有这两个朝向?这个所谓的“上”和“下”是相对什么而言的?

可是如果自旋并不是宏观意义上的自转,那到底是什么意思呢,这也一样不好想像。但奇怪的是,尽管不好想像,难以理解,却不妨碍量子物理学家做计算。事实上,整个量子力学让人困惑的地方也在这里,尽管大家对其含义至今充满了困惑和争论,但一点不妨碍物理学家通过计算来解释许多微观现象。


寻求统一之路


这就是目前理论的情况,时间和空间在相对论和量子力学中具有不同的地位。对于相对论,时间和空间地位等同,而对于量子力学,时间和空间被分开来对待。如果我们要把广义相对论和量子力学融合到一个理论中,就不可避免地要谈到时间和空间究竟是怎样的关系,它们是具有同等地位还是一个比另一个更加基本,或者它们是否都由另一种更为基本的东西产生的等等。而这些问题的最终解决将有助于建立一个可以解释宇宙中所有作用力的万物理论。


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