（文/ Anil Ananthaswamy）對(duì)艾薩克·牛頓而言，空間是“上帝的感知”，是上帝用來(lái)探視其造物的器官?？臻g是絕對(duì)的，不變的，無(wú)限的。時(shí)間則是另一個(gè)同樣來(lái)自天堂的創(chuàng)造，正如牛頓在他的物理學(xué)巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中所寫(xiě)道的，時(shí)間在空間中流淌，“均勻而不受任何外物干擾”。

不是所有人都買(mǎi)牛頓的帳。他的老對(duì)頭戈特弗里德·萊布尼茨（Gottfried Leibniz），就對(duì)上帝需要一個(gè)感知器官的說(shuō)法尤為嗤之以鼻。他尖銳地反問(wèn)，鐘表之神是否還需要“每天給自己的表上弦”。

幾個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，上帝在這場(chǎng)爭(zhēng)論中已經(jīng)逐漸消隱，但是，有關(guān)空間和時(shí)間本質(zhì)的論辯卻甚囂塵上。它們同是實(shí)在（reality）的基本構(gòu)件，還是全都不是？時(shí)間有沒(méi)有可能從空間中涌現(xiàn)出來(lái)，還是反過(guò)來(lái)才對(duì)？對(duì)于這些問(wèn)題，我們還沒(méi)有確切的答案，但有一點(diǎn)正變得日益明確——想要推動(dòng)物理學(xué)更進(jìn)一步的話，我們就必須回答這些問(wèn)題。真正能夠從根本上描述實(shí)在的終極理論，注定要通過(guò)對(duì)空間和時(shí)間的精深理解才能達(dá)成。

艾薩克·牛頓認(rèn)為，空間是絕對(duì)的，不變的，無(wú)限的，時(shí)間則在空間中不受干擾地流淌。圖片來(lái)源：nationalgeographic.com

尷尬的現(xiàn)實(shí)

對(duì)實(shí)在構(gòu)成基礎(chǔ)的探尋，實(shí)際上深入到了物理學(xué)意義的核心。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校的理論物理學(xué)家喬·波爾欽斯基（Joe Polechinski）說(shuō)：“當(dāng)我們找到描述宇宙萬(wàn)物最簡(jiǎn)單的方程時(shí)，其中出現(xiàn)的那些量，應(yīng)該是構(gòu)成實(shí)在的最根本要素才對(duì)。”

然而尷尬的是，我們描述物理世界時(shí)所用的兩套方程，無(wú)論在形式還是內(nèi)容上都大相徑庭。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論涵蓋了引力作用，在描述宏觀宇宙時(shí)碩果累累。與此同時(shí)，量子力學(xué)則包攬了剩下的所有基本力，對(duì)最小尺度上的世界描繪得細(xì)致入微。

當(dāng)至大遭遇毫末，問(wèn)題就出現(xiàn)了。比如在大爆炸之后那一瞬間，整個(gè)宇宙只有針尖大??；又比如在黑洞的巨口之下，引力強(qiáng)大到即便光子也無(wú)法逃逸。在這些情況下，兩種理論間凸顯的沖突，或者至少?zèng)_突的一部分，就源于非?；镜臇|西。美國(guó)加州理工學(xué)院的理論學(xué)家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）解釋說(shuō)：“兩者的一大沖突在于，在相對(duì)論和在量子力學(xué)中，空間和時(shí)間的關(guān)系非常、非常之不同?！?/p>

牛頓的宇宙觀如鐘表般有序：所有物體都在絕對(duì)空間中感受著完全一致的神圣時(shí)序。愛(ài)因斯坦于1905年提出的狹義相對(duì)論則完全顛覆了這一點(diǎn)，取而代之的是空間和時(shí)間相互交織而成的一個(gè)被稱(chēng)為“時(shí)空”的四維整體，不同速度運(yùn)動(dòng)的觀察者會(huì)感受到完全不同的時(shí)空。正如分隔兩地的人對(duì)何謂“此地”有不同的看法一樣，在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論時(shí)空中，“此時(shí)”的含義也因人而異。卡羅爾說(shuō)：“對(duì)于半人馬α上的一個(gè)人來(lái)說(shuō)，我們所說(shuō)的‘現(xiàn)在’可不能簡(jiǎn)單翻譯成他所說(shuō)的‘現(xiàn)在’?！保▍⒁?jiàn)《時(shí)間也有生老病死》一文。）

1916年接踵而至的廣義相對(duì)論更是火上澆油，指出大質(zhì)量物體會(huì)彎曲周?chē)臅r(shí)空，因此對(duì)長(zhǎng)度和時(shí)間間隔的測(cè)量將取決于無(wú)處不在的引力場(chǎng)的強(qiáng)度。

廣義相對(duì)論指出，大質(zhì)量物體（比如地球）會(huì)彎曲周?chē)臅r(shí)空。圖片來(lái)源：cosmicshipmedia.net

量子力學(xué)中，情況則變得更為晦澀難明。一個(gè)量子物體的狀態(tài)由波函數(shù)來(lái)描寫(xiě)。波函數(shù)則是一個(gè)數(shù)學(xué)對(duì)象，存在于被稱(chēng)為希爾伯特空間的抽象空間之中。利用薛定諤方程，我們可以確定這些波函數(shù)如何隨時(shí)間演化，如何從希爾伯特空間的一個(gè)態(tài)移動(dòng)到另一個(gè)態(tài)。

在這樣一幅圖景中，希爾伯特空間是一切現(xiàn)象的物理舞臺(tái)——除了時(shí)間。時(shí)間本身不在希爾伯特空間之內(nèi)，而是在它之外獨(dú)立存在著。當(dāng)我們測(cè)量一個(gè)量子態(tài)的演化時(shí)，參照的是一個(gè)來(lái)源未明的外部時(shí)序。“就像有人給了我們一塊表，一塊老古董，我們只是照著看時(shí)間而已，”美國(guó)普林斯頓高等研究中心的內(nèi)森·西貝格（Nathan Sieberg）說(shuō)。

至于空間，它的性質(zhì)則取決于你要測(cè)量什么。一個(gè)繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)的電子，其波函數(shù)包括了物理空間的信息，比如電子與核之間的距離等等。但描述單個(gè)電子自旋的波函數(shù)則沒(méi)有涉及空間——就其數(shù)學(xué)而言，我們通常設(shè)想的電子在繞軸高速自轉(zhuǎn)的圖像是毫無(wú)意義的。

“這給人一種感覺(jué)，好像物理體系的某些屬性無(wú)涉空間，但會(huì)隨著時(shí)間變化，”美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的阿貝·阿希提卡（Abhay Ashtekar）說(shuō)，“就這些屬性而言，你可以說(shuō)時(shí)間比空間更為基本?！?/p>

如果你孤立地看待廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，情況就是如此。相對(duì)論認(rèn)為空間和時(shí)間是平權(quán)的，它們一起構(gòu)成實(shí)在的基礎(chǔ)。量子力學(xué)則區(qū)別對(duì)待時(shí)間和空間，而時(shí)間有時(shí)候顯得更為基本。

然而，當(dāng)我們?cè)噲D將這兩種理論融合在一起，想要產(chǎn)生一個(gè)能夠描述從至大到毫末所有尺度的、更為宏大的理論時(shí)，時(shí)間和空間就分道揚(yáng)鑣了。

弦理論就是尋求這種理論最為野心勃勃的一項(xiàng)嘗試。它與空間的關(guān)系非常奇怪。存在額外的空間維度是弦理論最關(guān)鍵的一項(xiàng)特征，這些額外維度高度卷曲，以至于幾乎無(wú)法探測(cè)。為了能在數(shù)學(xué)上自恰，弦理論至少需要10個(gè)空間維度。但1997年理論物理學(xué)家胡安·馬爾達(dá)西那（Juan Maldacena）推導(dǎo)出一個(gè)著名的結(jié)果，暗示在不同的這些維度之間，有數(shù)學(xué)上的暗道可通。按照他的“反德西特／共形場(chǎng)論對(duì)應(yīng)”（簡(jiǎn)稱(chēng)Ads／CFT對(duì)應(yīng)），在一定條件下，你能將弦論中包含引力的極其復(fù)雜的10維表示（presentation），卷曲成一個(gè)簡(jiǎn)單得多的、不包含引力的4維表示。

如果這么做的話，一維的時(shí)間似乎維持不變，但空間要進(jìn)行變換：4維世界中的單個(gè)點(diǎn)將變換成10維空間中的多個(gè)點(diǎn)?？_爾解釋說(shuō)：“這個(gè)例子似乎完美地表明，空間不是基本的，而是極其極其地依賴(lài)于你描述這個(gè)世界所用的方式?！?/p>

弦論要求空間至少有10個(gè)空間維度。圖片來(lái)源：columbia.edu

黑洞攪局

不過(guò)事情并非如此涇渭分明。有人，比如波爾欽斯基，就開(kāi)始懷疑，馬爾達(dá)西那的推論完全不合邏輯。我們已經(jīng)知道，Ads／CFT對(duì)應(yīng)只對(duì)一種特定的時(shí)空有效，而那種時(shí)空跟我們宇宙的時(shí)空并非一模一樣。我們所處的宇宙，時(shí)空結(jié)構(gòu)在幾何上幾乎是平坦的，也就是說(shuō)平行出射的兩束光線將永遠(yuǎn)保持平行。但是Ads／CFT對(duì)應(yīng)只適用于負(fù)曲率時(shí)空，在這樣的時(shí)空里，兩束平行出射的光線會(huì)離得越來(lái)越遠(yuǎn)。弦論中繁復(fù)的數(shù)學(xué)意味著，現(xiàn)在還沒(méi)人能在我們的時(shí)空里推導(dǎo)出類(lèi)似AdS／CFT對(duì)應(yīng)這樣的結(jié)果。

波爾欽斯基的研究組提出了一個(gè)更為基本的目標(biāo)，不過(guò)這意味著，要去探索黑洞暗無(wú)天日的核心。黑洞歷來(lái)都是檢驗(yàn)理論極限的試驗(yàn)場(chǎng)。廣義相對(duì)論預(yù)言了黑洞的存在，現(xiàn)在人們認(rèn)為每個(gè)大質(zhì)量恒星死亡后，都會(huì)留下一個(gè)黑洞，而且每個(gè)星系中心也都存在一個(gè)黑洞。這些黑洞都是貪得無(wú)厭的饕餮之徒，就連量子力學(xué)明確禁止消滅的信息，似乎都難逃黑洞之口。如果你想放信息一條生路以回避這個(gè)難題，量子力學(xué)會(huì)告訴你，在黑洞一掉進(jìn)去就無(wú)法逃出生天的事件視界之內(nèi)，將出現(xiàn)一道釋放高能輻射的耀眼“火墻”（參見(jiàn)《掉入黑洞＝撞上火墻？》一文）。

這反過(guò)來(lái)又與廣義相對(duì)論的預(yù)言相矛盾，因?yàn)榘凑諒V義相對(duì)論，穿過(guò)視界時(shí)除了感受到連續(xù)的時(shí)空彎曲，不會(huì)有任何特別的事情發(fā)生——沒(méi)有劇變，也沒(méi)有轉(zhuǎn)折。如果想保持量子力學(xué)的有效性，同時(shí)又避免出現(xiàn)火墻，就需要對(duì)時(shí)空做一些改變，比如要修正速度上限是光速這條定論。同樣來(lái)自美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校的斯蒂夫·吉丁斯（Steve Giddings）指出，“這確實(shí)說(shuō)明，在現(xiàn)有的概念描述中，我們或許漏掉了什么東西?！?/p>

正是為了解決這個(gè)難題，波爾欽斯基的研究組瞄準(zhǔn)了馬爾達(dá)西那的推論。他們先將一個(gè)黑洞“放進(jìn)”一個(gè)空間曲率為負(fù)的時(shí)空。如果馬爾達(dá)西那的推論正確，在這塊時(shí)空表面上的觀測(cè)者所看到的4維物理，就應(yīng)該能夠與描述深入黑洞內(nèi)部的觀測(cè)者看到的10維物理——只不過(guò)4維物理的數(shù)學(xué)更為簡(jiǎn)單而已。但波爾欽斯基所得到的結(jié)果并非如此：兩個(gè)觀測(cè)者會(huì)看到兩種完全不同的量子理論（參見(jiàn)：arxiv.org/abs/1304.6483）。

AdS/CFT對(duì)應(yīng)深受弦論學(xué)家的鐘愛(ài)，因此波爾欽斯基知道，他將掀起波瀾?！拔蚁雱?dòng)搖人們對(duì)AdS/CFT對(duì)應(yīng)的盲從”。如果他成功了，任何從這條推論以及弦理論中得出的、有關(guān)空間和時(shí)間狀態(tài)的結(jié)論，就都有可能并非定論。

但是，弦理論只是目前試圖統(tǒng)一相對(duì)論和量子理論的諸多未獲證明的嘗試之一。另一個(gè)候選理論被稱(chēng)為圈量子引力（loop quantum gravity），是在20世紀(jì)80年代中期提出的。當(dāng)時(shí)，阿希提卡試圖在量子理論的框架下重寫(xiě)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論方程。他與物理學(xué)家李·斯莫林（Lee Smolin）和卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）合作，用這些方程得到了一幅平滑的時(shí)空結(jié)構(gòu)圖像——當(dāng)然，如果深入到了非常非常微觀的程度，這幅時(shí)空結(jié)構(gòu)圖像也會(huì)像其他時(shí)空結(jié)構(gòu)一樣，開(kāi)始出現(xiàn)不平滑的地方。對(duì)于圈量子引力的時(shí)空而言，如果深入到10^-35米這個(gè)極其微小的尺度上，你就會(huì)看到縱橫交錯(cuò)的引力場(chǎng)環(huán)線。

跟弦論中的情況類(lèi)似，圈量子引力的方程也非常復(fù)雜，而且沒(méi)有給出多少能供實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的預(yù)言。但在有關(guān)時(shí)間和空間地位的問(wèn)題上，它給我們提供了一個(gè)非常不同的視角。該理論中首先出現(xiàn)的是小塊的空間，每個(gè)都只有普朗克尺度見(jiàn)方，時(shí)間則是以各物理量之間關(guān)系的形式，隨后才在理論中出現(xiàn)。比如說(shuō)，你可以用引力場(chǎng)的變化來(lái)定義時(shí)間間隔，然后觀察另一個(gè)量，例如電磁場(chǎng)如何隨著引力場(chǎng)的“滴答”而變化。用阿希提卡的話來(lái)說(shuō)，這里的空間和時(shí)間似乎都是從更為深刻的東西中涌現(xiàn)出來(lái)的，“但是不知為何，空間似乎先涌現(xiàn)出來(lái)，時(shí)間則是通過(guò)觀察各種物理子系統(tǒng)之間的關(guān)系而出現(xiàn)的”。

從某種意義上說(shuō)，這似乎又重新回到牛頓對(duì)空間和時(shí)間的看法上來(lái)了。盡管牛頓將時(shí)間視作來(lái)自上帝的絕對(duì)之物，但他也意識(shí)到，我們測(cè)量“共有”時(shí)間的方式是相對(duì)的——也就是說(shuō)，我們通過(guò)追蹤其他物理量的變化來(lái)計(jì)量時(shí)間。例如，地球在空間中繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，就代表了一種時(shí)間單位——年。我們將這個(gè)單位分割或累積起來(lái)，計(jì)算任何其它過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間，比如說(shuō)四季的時(shí)長(zhǎng)。

目前，我們還不知道是什么更深深層的東西涌現(xiàn)出了空間和時(shí)間，但持這一觀點(diǎn)的絕不是只有阿希提卡一個(gè)人。弦理論認(rèn)為空間是涌現(xiàn)出來(lái)的，廣義相對(duì)論則認(rèn)為空間和時(shí)間相互交織，基于這些發(fā)現(xiàn)，西貝格也產(chǎn)生了類(lèi)似的直覺(jué)。他說(shuō)：“我們有很多例子可以讓空間從更深層次中涌現(xiàn)出來(lái)，既然空間和時(shí)間交織在一起，那么毫無(wú)疑問(wèn)，時(shí)間也應(yīng)該是涌現(xiàn)出來(lái)的?！?/p>

在圈量子引力理論中，時(shí)空結(jié)構(gòu)是平滑的，除非你深入到了非常非常細(xì)微的尺度上，才會(huì)看到縱橫交錯(cuò)的引力場(chǎng)環(huán)線。圖片來(lái)源：wordpress.com

放手一搏

吉丁斯也在探索“時(shí)間和空間皆非基本屬性”這一想法，他用的是最難對(duì)付的理論試驗(yàn)場(chǎng)：黑洞。他一直在嘗試由內(nèi)而外來(lái)描述一個(gè)黑洞，從黑洞內(nèi)部一直描述到事件視界之外。他用的工具，則是一個(gè)由存在內(nèi)部聯(lián)系的量子力學(xué)希爾伯特空間構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，這樣就無(wú)須預(yù)先假定存在時(shí)間或者空間。這種方法可以讓吉丁斯放手一搏，比如放松愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論中“任何速度不得超越光速”的限制，看看結(jié)果會(huì)發(fā)生些什么。

通過(guò)觀察一個(gè)量子體系的屬性如何隨著另一個(gè)量子體系的變化而改變，吉丁斯在2012年證明，時(shí)間確實(shí)可以通過(guò)相互關(guān)聯(lián)而涌現(xiàn)出來(lái)，這又給牛頓的“共有”時(shí)間投了一票。通過(guò)將不同的的希爾伯特空間粗略地對(duì)應(yīng)于不同的物理位置，比如對(duì)應(yīng)成黑洞的內(nèi)部，吉丁斯的計(jì)算中也可以涌現(xiàn)出空間概念（參見(jiàn)arxiv.org/abs/1201.1037）。最終，吉丁斯認(rèn)為，就連這個(gè)空間概念也可以跟系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程相連，就像時(shí)間一樣。在這種情況下，空間和時(shí)間都不是基本屬性。

這個(gè)想法目前還只是初具雛形，要想理論形式嚴(yán)謹(jǐn)，吉丁斯還必須證明，從他的希爾伯特空間網(wǎng)絡(luò)中如何能夠推導(dǎo)出廣義相對(duì)論和正常的時(shí)空?qǐng)D景，而不是僅僅局限于黑洞這樣的極端情況。用吉丁斯自己的話說(shuō)，“要徹底理解它，還有一段路要走”。

波爾欽斯基同樣在關(guān)注相對(duì)論中的光速不變。從某種意義上說(shuō)，不變的光速為空間和時(shí)間提供了一個(gè)參考系。光總是在1個(gè)單位的時(shí)間內(nèi)傳播1個(gè)單位的空間距離，在任何時(shí)空?qǐng)D中都是一條斜率相同的直線。

“光傳播的方向，既不是空間也不是時(shí)間，我們稱(chēng)之為‘空’（null）。它是空間和時(shí)間的交界，”波爾欽斯基說(shuō)，“很多人都有這樣的直覺(jué)，從某種意義上說(shuō)，這些‘空’方向的存在，可能比空間或時(shí)間本身更基本?！?/p>

在探尋一個(gè)更偉大理論的征途中，這些直覺(jué)能給我們提供任何指引嗎？20世紀(jì)初，物理學(xué)也曾經(jīng)面臨著與今天的物理學(xué)頗為相似的困境——直到愛(ài)因斯坦神來(lái)一筆，將空間和時(shí)間統(tǒng)一成時(shí)空，才終告化解。今天，我們?cè)谇斑M(jìn)的道路上似乎遇到了同樣的瓶頸。很多潛在的方案會(huì)把我們引入不同的時(shí)空結(jié)構(gòu)，而對(duì)于應(yīng)該選擇哪一條道路，我們目前還毫無(wú)頭緒?？臻g還是時(shí)間，皆是還是皆非？或許只有時(shí)間才知道答案。

編譯自：《新科學(xué)家》，Space vs time: One has to go – but which?