什么是時(shí)間和空間

這本書(shū)要討論的問(wèn)題是物理學(xué)所有問(wèn)題中最簡(jiǎn)單的一個(gè)：“什么是時(shí)間和空間？”然而，這個(gè)問(wèn)題也是最難回答的問(wèn)題之一。科學(xué)的進(jìn)步可以用理論的革新來(lái)衡量，因?yàn)楦镄驴倳?huì)產(chǎn)生新的理論解釋。我們現(xiàn)在就正處于這樣一場(chǎng)革新之中，若干關(guān)于空間和時(shí)間的新思考、新觀念已經(jīng)涌現(xiàn)出來(lái)。借此，希望這本書(shū)能成為這個(gè)領(lǐng)域的最前沿報(bào)道。我寫(xiě)這本書(shū)的目的就是希望能用通俗易懂的語(yǔ)言來(lái)傳遞這些新觀念，使任何有興趣的讀者都能了解這些令人激動(dòng)的科學(xué)新發(fā)展。

我們很難去思考空間和時(shí)間，因?yàn)樗鼈兪撬�有人類�?jīng)歷的背景。事物總會(huì)在某處，一個(gè)人可以不質(zhì)疑本國(guó)文化而在其規(guī)則中生活，我們也可以在不了解時(shí)間和空間的本質(zhì)的情況下正常存在。但在每個(gè)人的一生中，總會(huì)有一個(gè)瞬間想到關(guān)于時(shí)間的問(wèn)題：時(shí)間會(huì)永遠(yuǎn)繼續(xù)下去嗎？有沒(méi)有最初的瞬間？會(huì)有最后一刻嗎？如果有最初的瞬間，那么宇宙是如何形成的呢？在那之前又發(fā)生了什么？如果沒(méi)有最初的瞬間，這是否意味著所有的事情以前都發(fā)生過(guò)？空間也是一樣：它是無(wú)邊無(wú)際的嗎？如果空間有盡頭，那么盡頭的另一端又有什么呢？如果沒(méi)有盡頭，我們能數(shù)得清宇宙中的所有物體嗎？

我相信人類自誕生以來(lái)，就一直在思考這些問(wèn)題。如果數(shù)萬(wàn)年前那些在洞穴里作畫(huà)的古人，在晚餐后圍坐在篝火旁時(shí)，沒(méi)有互相討論這些問(wèn)題的話，那我倒會(huì)感到驚訝。

在過(guò)去100 多年的時(shí)間里，人們已經(jīng)知道物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，而原子又是由電子、質(zhì)子和中子構(gòu)成的。這給我們上了重要的一課——人類的感知能力盡管有時(shí)令人驚異，但大多數(shù)時(shí)間卻相當(dāng)粗糙，以至于無(wú)法直接看到大自然的構(gòu)成要素。人們總是需要新的工具才能看到最微小的東西。顯微鏡讓我們看到構(gòu)成人類和其他生物的細(xì)胞，但是要想看到原子，還需要放大1??000 倍�，F(xiàn)在，電子顯微鏡可以做到這一點(diǎn)了。并且，借助其他工具，如粒子加速器，我們還可以看到原子核，甚至是構(gòu)成質(zhì)子和中子的夸克。

所有這些發(fā)現(xiàn)都如此神奇，也使我們提出了更多的問(wèn)題。電子和夸克是構(gòu)成物質(zhì)的最小單位嗎？或者它們本身也是由更小的實(shí)體組成的？人們繼續(xù)探索的時(shí)候，是否總能找到更小的東西，或者是否存在最小的單元？我們可能會(huì)以同樣的方式探索空間：空間似乎是連續(xù)不斷的，但這是真的嗎？一定體積的空間能被劃分成任意多個(gè)部分嗎？或者存在一個(gè)最小的空間單位嗎？有最小的距離嗎？同樣，我們也想知道，時(shí)間是無(wú)限可分的嗎？有最小的時(shí)間單位嗎？存在一個(gè)最簡(jiǎn)單的事件嗎？

直到大約100 年前，這些問(wèn)題才有了一套公認(rèn)的答案，這也構(gòu)成了牛頓物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。直到20 世紀(jì)初人們才認(rèn)識(shí)到，這個(gè)體系雖然對(duì)科學(xué)和工程學(xué)的許多發(fā)展有很大的推動(dòng)作用，但在回答關(guān)于空間和時(shí)間的基本問(wèn)題時(shí)，卻是完全錯(cuò)誤的。隨著牛頓物理學(xué)被推翻，這些問(wèn)題終于有了新的答案。這些答案來(lái)自新的理論，主要是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論（theory of relativity），以及尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）、沃納·海森堡（Werner Heisenberg）、埃爾溫·薛定諤（ErwinSchrödinger）等人提出的量子理論（quantum theory）。但這僅僅是這場(chǎng)革新的起點(diǎn)，因?yàn)檫@兩個(gè)理論都還不夠完善，不足以作為物理學(xué)的新基礎(chǔ)。雖然這兩個(gè)理論都非常有用，能夠解釋許多事情，但每一個(gè)都是有限且不完善的。量子理論的提出是為了解釋為什么原子是穩(wěn)定的，它并沒(méi)有像牛頓物理學(xué)一樣在描述原子結(jié)構(gòu)時(shí)土崩瓦解。量子理論也解釋了許多物質(zhì)和輻射的性質(zhì)。量子理論與牛頓理論適用的范圍不同，雖然不是唯一的，但量子理論主要適用于分子及更小的單位尺度。相比之下，廣義相對(duì)論（general relativity）是一個(gè)關(guān)于空間、時(shí)間和宇宙的理論。與牛頓理論相比，廣義相對(duì)論適用于更大的尺度，所以許多證實(shí)廣義相對(duì)論的觀測(cè)都來(lái)自天文學(xué)。然而，當(dāng)廣義相對(duì)論遇到原子和分子的行為時(shí)，它似乎就失效了。同樣，量子理論似乎與愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論對(duì)空間和時(shí)間的描述不相容。因此，人們不能簡(jiǎn)單地將這兩者結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)理論來(lái)同時(shí)解釋原子和太陽(yáng)系，再到整個(gè)宇宙。

要解釋為什么很難將相對(duì)論和量子理論結(jié)合起來(lái)并不困難。任何物理理論都不僅僅是一種關(guān)于世界上存在著什么粒子和力的記載。當(dāng)我們環(huán)顧四周，開(kāi)始描述所看到的東西之前，必須對(duì)自己做的科學(xué)研究做出一些假設(shè)。人們都會(huì)做夢(mèng)，大多數(shù)人在醒著的時(shí)候，可以毫不費(fèi)力地將夢(mèng)與自身的真實(shí)經(jīng)歷區(qū)分開(kāi)來(lái)。人們都會(huì)講故事，大多數(shù)人也都堅(jiān)信事實(shí)和虛構(gòu)之間是有區(qū)別的。因此，基于夢(mèng)、故事與現(xiàn)實(shí)之間的不同關(guān)系的假設(shè)，我們會(huì)以不同的方式談?wù)撍鼈儭＿@些假設(shè)可能因人而異，因文化而異，而且會(huì)被各類藝術(shù)家作為主題修改。但是無(wú)論有意或無(wú)意，如果它們沒(méi)有被闡明，就可能會(huì)導(dǎo)致混亂和迷茫。所以，先闡明這些假設(shè)非常重要。

同樣，不同物理理論對(duì)其所觀測(cè)到的現(xiàn)象和事實(shí)所做的基本假設(shè)也是不同的。如果不仔細(xì)地解釋這些假設(shè)，在我們?cè)噲D比較不同理論對(duì)世界的不同描述時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生混亂。

本書(shū)的討論主要從兩個(gè)非�；�本的問(wèn)題展開(kāi)，其所依據(jù)的理論各不相同。其一是空間和時(shí)間的本質(zhì)是什么。牛頓物理學(xué)給出了一個(gè)答案，廣義相對(duì)論則給出了另一個(gè)答案，后文會(huì)詳細(xì)介紹。值得注意的是，愛(ài)因斯坦徹底地改變了人們對(duì)空間和時(shí)間的理解。

其二是觀察者與其觀察到的系統(tǒng)有什么關(guān)系。這里必須存在某種關(guān)系，否則觀察者甚至不會(huì)意識(shí)到這個(gè)系統(tǒng)的存在。但是，對(duì)于觀察者和被觀察對(duì)象之間的關(guān)系，不同理論的假設(shè)差異很大。特別是，量子理論對(duì)這個(gè)問(wèn)題所做出的假設(shè)與牛頓物理學(xué)完全不同。

然而，量子理論雖然徹底改變了觀察者與被觀察對(duì)象之間關(guān)系的假設(shè)，卻沒(méi)有改變牛頓物理學(xué)對(duì)時(shí)空本質(zhì)的解釋。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論則正好與之相反，在廣義相對(duì)論中，空間和時(shí)間的概念發(fā)生了根本性的變化，而牛頓物理學(xué)對(duì)觀察者與被觀察對(duì)象之間關(guān)系的看法則被保留下來(lái)。每個(gè)理論似乎都有正確的一面，并且都保留了與另一個(gè)理論相矛盾的舊物理假設(shè)。

因此，相對(duì)論和量子理論只是革新中的第一步，在長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來(lái)，這場(chǎng)革新必將持續(xù)下去。要完成這場(chǎng)革新，我們必須找到一個(gè)能夠把相對(duì)論和量子理論的觀點(diǎn)匯集在一起的新理論。這一理論必須以某種方式融合愛(ài)因斯坦所倡導(dǎo)的時(shí)空概念以及量子理論所秉持的關(guān)于觀察者與被觀察對(duì)象關(guān)系的看法。如果做不到，那就必須摒棄這兩個(gè)理論，并找到新的答案來(lái)解釋什么是空間和時(shí)間，以及觀察者與被觀察對(duì)象之間的關(guān)系。

新的理論暫時(shí)還未完成，但它已經(jīng)有了一個(gè)名字：量子引力理論（quantum gravity theory）。這是因?yàn)樵摾碚摰囊粋�(gè)關(guān)鍵部分涉及將量子理論向引力理論擴(kuò)展，而量子理論是理解原子和基本粒子的基礎(chǔ)。我們現(xiàn)在普遍從廣義相對(duì)論的角度理解引力，認(rèn)為引力實(shí)際上是空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)的一種表征。這是愛(ài)因斯坦最令人驚訝也最美麗的頓悟，對(duì)于這一點(diǎn)，后文會(huì)進(jìn)一步論述。我們現(xiàn)在面臨的問(wèn)題，用基本物理學(xué)的行話說(shuō)，是將愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論與量子理論統(tǒng)一起來(lái)，這種統(tǒng)一的產(chǎn)物就是量子引力理論。

量子引力理論將提供關(guān)于空間和時(shí)間本質(zhì)的新答案，但這不是全部。量子引力理論必須是關(guān)于物質(zhì)的理論，所以它必須包含20 世紀(jì)獲得的對(duì)基本粒子及其支配力量的全部解釋。量子引力理論也必須是一個(gè)宇宙學(xué)的理論，它會(huì)回答現(xiàn)在看來(lái)非常神秘的關(guān)于宇宙起源的問(wèn)題，例如宇宙大爆炸究竟是最初的時(shí)刻，還是僅僅是一個(gè)與以前存在的世界不同的世界的過(guò)渡。它還可以告訴我們生命的出現(xiàn)是不是必然，人類的存在是否僅僅是一場(chǎng)幸運(yùn)的意外。

在步入21 世紀(jì)之時(shí)，科學(xué)界最具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題莫過(guò)于完成這一理論。大多數(shù)人可能會(huì)想，這是否太難了？它是否會(huì)因?yàn)槟硞�(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題或意識(shí)的本質(zhì)問(wèn)題而永遠(yuǎn)無(wú)法得到解決？一旦你看到問(wèn)題的宏大，那么持有這種觀點(diǎn)并不奇怪，甚至許多優(yōu)秀的物理學(xué)家也深以為然。二三十年前，當(dāng)我在大學(xué)里開(kāi)始研究量子引力理論時(shí)，一些老師就告訴我，只有傻瓜才會(huì)研究這個(gè)問(wèn)題。的確，那時(shí)很少有人認(rèn)真研究量子引力。我不知道他們是否會(huì)聚在一起共進(jìn)晚餐，可能會(huì)吧。