時(shí)間是什么？

空間是什么？

自古以來(lái)，人類就孜孜不倦的在宇宙中追尋答案。天方地圓長(zhǎng)久束縛著古代人的思想，牛頓從科學(xué)角度開(kāi)辟了時(shí)空觀的新紀(jì)元，為人類譜寫(xiě)了牛頓時(shí)空觀。后來(lái)，愛(ài)因斯坦建立了四維時(shí)空，并結(jié)合廣義相對(duì)論發(fā)展了彎曲時(shí)空理論。目前，彎曲時(shí)空成為科學(xué)界普遍公認(rèn)的主流思想。然而，量子理論的成功打破了這個(gè)局面。近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證了量子理論的正確性，從而，在探討時(shí)空時(shí)就不能忽略量子效應(yīng)。為此，全世界許多著名的理論物理學(xué)家都在努力嘗試結(jié)合廣義相對(duì)論與量子理論建立新的時(shí)空觀。我國(guó)著名的理論物理學(xué)家邵常貴（湖北大學(xué)教授），多年從事圈量子引力方面的研究并在這方面取的了重大的突破。結(jié)合研究成果，他與邵丹、邵亮共同提出圈量子宇宙時(shí)空觀。并著作了《空間與時(shí)間》一書(shū)。以下是此書(shū)內(nèi)容對(duì)宇宙時(shí)空進(jìn)化史的簡(jiǎn)要描述。（注，為了方便讀者理解，做科普時(shí)小編對(duì)書(shū)中的一些內(nèi)容做了適當(dāng)修改，與作者原文略有不同）。

一、原始時(shí)空觀。

在遙遠(yuǎn)的古代，人類通過(guò)觀察晝夜交替、四季輪回、日月星辰變化等。認(rèn)為人類所生存的世界，在范圍上是空曠無(wú)邊的，在光陰上是不斷流逝的。空曠的空間有前后、上下、左右不同活動(dòng)方向。于是，人類形成了天方地圓的時(shí)空觀念。

二、牛頓的時(shí)空觀。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，十八世紀(jì)，以牛頓為代表的科學(xué)家提出較完整的時(shí)空觀念。牛頓認(rèn)為，空間是均勻的，它如同一個(gè)無(wú)窮大的盒子；時(shí)間如同流水在空間中均勻的流逝。時(shí)間與空間是不同的，彼此獨(dú)立存在，沒(méi)有任何關(guān)系。牛頓時(shí)空背景可以用笛卡爾坐標(biāo)系描述。

三、狹義相對(duì)論時(shí)空——閔可夫斯基空間。

愛(ài)因斯坦以光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理為前提建立了狹義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦從光和物理規(guī)律在時(shí)空中的不變性出發(fā)，推導(dǎo)出一種四維時(shí)空中同一事件在兩個(gè)慣性系中的兩組坐標(biāo)變換關(guān)系，即洛倫茲變換。

當(dāng)坐標(biāo)系間的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，遵循經(jīng)典運(yùn)動(dòng)規(guī)律（伽利略變換），當(dāng)?shù)扔诨蚪咏馑贂r(shí)坐標(biāo)系之間運(yùn)動(dòng)服從洛倫茲變換。

愛(ài)因斯坦時(shí)空背景可用閔可夫斯基空間描述。閔可夫斯基空間是由三維空間加一維時(shí)間構(gòu)成的四維時(shí)空。與牛頓時(shí)空的區(qū)別在于愛(ài)因斯坦時(shí)空中，時(shí)間與空間是相互聯(lián)系在一起的，沒(méi)有獨(dú)立的時(shí)間和空間。

四、廣義相對(duì)論彎曲時(shí)空。

愛(ài)因斯坦在等效原理和廣義協(xié)變?cè)砬疤嵯陆⒘藦V義相對(duì)論。等效原理指慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量是等效的。廣義協(xié)變性指不受限制的任意坐標(biāo)系的變換（確保了引力場(chǎng)方程在任意坐標(biāo)系中具有相同的形式）。

在廣義相對(duì)論理論中引力場(chǎng)被表述為時(shí)空的彎曲，引力大小是由時(shí)空彎曲程度（曲率）描述的。時(shí)空中有不同質(zhì)量的物質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)時(shí)空本身產(chǎn)生“引力擾動(dòng)”，從而，重新規(guī)定了時(shí)空的度量。

因此，廣義相對(duì)論描述的彎曲時(shí)空中，有質(zhì)量的物質(zhì)和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)時(shí)空本身產(chǎn)生影響。即時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)是由有質(zhì)量物質(zhì)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)決定的。

五、圈量子宇宙時(shí)空。

上世紀(jì)60年代之后，隨著量子宇宙學(xué)的研究和發(fā)展，許多關(guān)于量子宇宙的觀點(diǎn)被提出。這種宇宙是用體積和標(biāo)量場(chǎng)的波函數(shù)來(lái)表示態(tài)，態(tài)用來(lái)描述宇宙的演化?？臻g和標(biāo)量場(chǎng)表示為算符。將引力量子化成為該理論面臨的最大難題。阿西泰客是圈量子引力的創(chuàng)始人。為了解決引力量子化的難題，上世紀(jì)七十年代彭若斯提出把自旋網(wǎng)用于研究空間中粒子與背景無(wú)關(guān)的行為的設(shè)想。這種設(shè)想被阿西泰客、羅威立、斯沫林、斯依曼等人發(fā)展為圈量子引力。

圈量子時(shí)空的特點(diǎn)：

1、圈量子宇宙時(shí)空的空間幾何在普朗克尺度是離散的，而不是連續(xù)的，并且是非交換的。

以前所有的時(shí)空觀都認(rèn)為空間是連續(xù)的，圈量子時(shí)空結(jié)合量子理論認(rèn)為空間本身也是量子化的。所以，空間在普朗克尺度就像一粒一粒分離的粒子是不連續(xù)的。并且空間是組合的，連續(xù)坐標(biāo)系只起到輔助作用。不同坐標(biāo)之間不存在聯(lián)系，宇宙沒(méi)有固定的時(shí)空背景（確切的坐標(biāo)系）。

2、圈量子宇宙時(shí)空中空間與時(shí)間之間存在關(guān)系。

空間與時(shí)間之間存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，狹義相對(duì)論所確立的空間與時(shí)間之間的關(guān)系，是這種無(wú)背景的時(shí)空關(guān)系在現(xiàn)實(shí)世界中借助坐標(biāo)系的一種體現(xiàn)。

3、時(shí)間、空間和引力都是由激發(fā)和躍遷產(chǎn)生的。

圈量子宇宙時(shí)空一種理論認(rèn)為，宇宙時(shí)空本身就是一種“態(tài)”構(gòu)成，由代數(shù)關(guān)系波函數(shù)表述?！皯B(tài)”（能量場(chǎng)）的激發(fā)或者量子的躍遷產(chǎn)生了空間和時(shí)間。圈量子引力宇宙觀擯棄了大爆炸宇宙理論觀。認(rèn)為“態(tài)”的激發(fā)和躍遷是宇宙萬(wàn)物產(chǎn)生的根源。

4、激發(fā)將產(chǎn)生延展體。

由于“態(tài)”的激發(fā)產(chǎn)生延展體，如粒子、弦或者D-膜。激發(fā)是由自身的代數(shù)關(guān)系決定的，物理學(xué)家用自旋網(wǎng)描述。圈量子宇宙描述的空間具有11維。

結(jié)語(yǔ)：邵常貴、邵亮、邵丹教授目前已經(jīng)成功完成了圈量子引力理論，并相序出版了一系列的書(shū)籍。為了提高中國(guó)物理理論在國(guó)際上的聲譽(yù)并將最前沿的理論分享予國(guó)人，他退休后從事于物理理論科普事業(yè)中。他打算把畢生的理論成果制作成一部引領(lǐng)物理科普潮流的視頻教育影片，一為提高國(guó)人物理科普知識(shí)，二為引起世界知名物理學(xué)者關(guān)注。如果，你想與我們合作加入科普教育事業(yè)活動(dòng)中來(lái)。請(qǐng)加微信號(hào)（mj1438523957）與我們聯(lián)系。

邵常貴教授簡(jiǎn)介：

邵常貴，男，現(xiàn)為湖北大學(xué)教授，曾為中科院理論物理所、武漢數(shù)學(xué)物理所兼職研究員。88年國(guó)家級(jí)專家（理論物理），博導(dǎo)（現(xiàn)已退休）。研究領(lǐng)域?yàn)橐?guī)范場(chǎng)、空時(shí)與引力量子化（含少量空間量子信息）、統(tǒng)一理論，與邵亮、邵丹教授在意、英、德、日、美，專攻引力量子化和重整化、訪問(wèn)、講學(xué)、工作多次。得到了國(guó)際上對(duì)引力量子化的全面深刻資料。國(guó)內(nèi)外共同發(fā)表論文140余篇，被引用數(shù)十次，指導(dǎo)和參予出版創(chuàng)新型學(xué)術(shù)著作8部。

邵常貴教授的系列叢書(shū)：