|
随着科学的进步，很多曾经被认为亘古不变的认知被一个个推翻。现在，轮到了时间和空间。理论物理学家说，它们并非宇宙中最本质的东西，而来自更深层次的“无”中。 谈论时间、空间的第一位物理学家是近代物理学的奠基人牛顿。 他说，时间和空间皆是绝对的、神创的。不过，这一说法早被现代科学的两大支柱——相对论和量子论——所否定。大爆炸宇宙论说，宇宙从奇点中涌出，它不仅创生了能量与物质，也创生了时间和空间。 但是，关于时间和空间的特性，迄今还在探讨之中。这两者皆为存在的基础吗？或者皆不是？抑或，其中一个首先从某种东西中涌出？总之，我们迄今尚没有一个可靠的结论。我们要在物理学中取得更大进展，就必须获得一个对“存在”真正有效的理论，它必须彻底了解时间、空间的特性。加利福尼亚大学的理论物理学家波奇斯基说：“为此，我们必须走向物理学的核心，当我们找到有关描述宇宙中万事万物的方程时，最基本的量就会从中显现。” 其实，时间性质的分量远不止此，我们同样碰到了宇宙如何诞生的问题。理论物理学家说，宇宙创生于奇点，他们用三个参数来描述这一过程，即光速C、牛顿引力常数G和普拉克常数h。宇宙学家认为，光速C和普朗克长度皆为时间和空间的极限单元，即不可分割的最小单元。那么在这个时间内，怎么能有物理过程呢？此后所发生的宇宙性事件，不论是暴胀还是粒子湮灭，不都成了无源之水吗？理论物理学家说，也许量子引力理论能解释最初瞬间的过程。 其实，物理学家一直在追求大一统理论，也就是将支撑现代文明的科学基础——相对论和量子论——结合起来。可是这两者无论在形式上还是内容上都大相径庭。爱因斯坦的相对论述及引力，在描述大尺度宇宙中成效显著；而量子论描述全部自然力（电磁力、强核力、弱核力和引力），并给出了一幅微观世界无比完整的图像。 当1905年爱因斯坦提出相对论时，他把时间和空间缠在一起，称为时空。 运动着的测量者，其测量时空的结果也不相同，正如“这里”并不意味着同一地方。“现在”的意义也如此。加利福尼亚技术学院的理论物理学家卡鲁说：“我们说的现在，没有任何方法可使之转移到阿尔法半人马座上的一个人，使他也称为现在。” 1916年广义相对论诞生，该理论认为，大质量客体弯曲时空，尺的长度和时钟的走时，皆跟测量的引力场强度有关。 而在量子论中，事物显得更奇怪。例如，一个电子动态可以用一种波函数描述，后者是一种处在抽象空间中的数学形式。我们可以说出波函数如何在时间中演化，即从一个态演化到另一态。但在这幅图景中，时间本身并非空间的组成部分。至于空间，其性质依赖于所测量的对象。一颗绕原子核运动的电子，其波函数将含有物理性空间的性质，诸如电子至原子核的距离。 所有这些矛盾目前正在被揭开。科学界力求把这两大理论相结合，以找到一个能在所有尺度上描述存在的伟大理论。 有雄心的尝试之一是弦理论。该理论认为，时空含有十维（一维时间），额外之维皆小到无法测量的程度。1997年，理论物理学家马特赛那将极为复杂的弦论十维表达式（含引力）简化成场处理的四维表达式，也含有引力。 在做如此变换时，一维的时间仍未改变，但空间变成一个在四维世界中的点。卡鲁说：“这个例子，十分清楚地表明了空间不是基本的存在，它依赖于你所描述的世界。” 而波奇斯基对上述变换持怀疑态度。他认为，弦理论中的时空跟我们宇宙中的时空大不一样，我们的时空在几何学上几乎是扁平的，而弦论中的时空仅适于更弯曲的时空，也即这两者最初与光线平行，然后慢慢发散。波奇斯基还提出了一个严肃的反对理由，即黑洞的暗黑中心连信息都要吞食，对此，量子论是禁止的。可是，量子论认为，在信息逃出黑洞时会在视界边上遇到一个高能辐射墙。而广义相对论的看法却相反，它认为，任何东西路过视界时都不会碰到障碍，只会微微弯曲时空。若想使量子论无损，又否定“火墙”，就得为时空添加一个前提，即没有任何东西的速度可超过光速。吉丁说：“事实上，正是这一问题的存在说明我们在概念叙述上可能缺失了什么。” 另一种尝试被称为环量子引力理论。它出现于20世纪80年代中期，当时，阿西提卡在量子论的框架内重写了广义相对论的方程。物理学家斯莫林和鲁佛力运用该方程，构建了一个带有平滑结构的时空。在该理论的时空中，若进入10厘米至33厘米这一尺度，你将看到引力场线的环线之经纬。 环量子引力理论很难应用，不过，它对时空的特性倒是颇有见解。 吉丁说：“在计算理论方程中，以普朗克长度为边的空间首先出现，继而跳出时间。在可观测的物理特性之间，时间居后。”这跟霍金等人的看法颇为相似。霍金认为，根据相对论，时间和空间具有明显差别，但量子理论可使这两者的不同性质被抹掉。在越来越接近宇宙始点时，时间就越具有与空间维度类似的特性。这种转变并非出于突然，而是通过测不准原理使时间的特性变得越来越模糊——时间并非突然涌出，而是从空间中逐渐渗出。 此外，吉丁还观测了时钟在不同的场（如引力场和电磁场）中走时的变化，两种情况有所不同。他认为，时间和空间似乎是从更深层次的某种东西中涌出的，“但不知怎么的，空间好像首先涌出，而时间是从被观察的不同物理系统间的关系中跳出的”。 可是，我们至今都不知道那个涌出时间和空间的、更深层次的东西究竟是什么。持有此看法的人并非吉丁一人。在弦理论的研究中，马特赛那也有类似的直觉。他说，空间是自然发生的，而相对论说空间和时间是相互缠住的。“在许多例子中我们看到，首先出现的是空间，而时间再渗入空间。无疑，时间也是必将出现的。” 根据吉丁的计算，空间的概念也能从不同的物理位置上涌现出来。他说，这种空间概念也能跟系统的动力学性质联系起来，就如时间那样，所以两者皆非最本源的东西。 波奇斯基也在思考相对论的光速不变说。在他看来，这给了时空一个参照系，光线总是在一个“空间—时间单元”中运动。若画出一幅时间相对于空间的图像，那么光线就是该图上一条不变的对角线。 波奇斯基说：“光线射入的方向既不是时间，也不是空间，我们称之为‘无（null）’，它处在空间和时间之边。有些研究者有这样的直觉：从某种意义上说，这些‘无’的存在，可能要比空间和时间更为根本。” 在我们追求一个更伟大的理论时，是否有什么思想或直觉，把我们导向某个地方？目前物理学中的僵局，有点类似20世纪早期，当时爱因斯坦的相对论尚未出现。正是他，把时间和空间联系在一起，成为时空。今天我们在前进中似乎遇到一个类似的难题，有许多存在的途径可导向不同时间和空间的世界，而我们迄今只有很少一点线索可资证实。也许只有更加天才的科学家，才能给我们答案。 |
|
|
