什么是時間和空間

這本書要討論的問題是物理學所有問題中最簡單的一個：“什么是時間和空間？”然而，這個問題也是最難回答的問題之一。科學的進步可以用理論的革新來衡量，因為革新總會產(chǎn)生新的理論解釋。我們現(xiàn)在就正處于這樣一場革新之中，若干關于空間和時間的新思考、新觀念已經(jīng)涌現(xiàn)出來。借此，希望這本書能成為這個領域的最前沿報道。我寫這本書的目的就是希望能用通俗易懂的語言來傳遞這些新觀念，使任何有興趣的讀者都能了解這些令人激動的科學新發(fā)展。

我們很難去思考空間和時間，因為它們是所有人類經(jīng)歷的背景。事物總會在某處，一個人可以不質疑本國文化而在其規(guī)則中生活，我們也可以在不了解時間和空間的本質的情況下正常存在。但在每個人的一生中，總會有一個瞬間想到關于時間的問題：時間會永遠繼續(xù)下去嗎？有沒有最初的瞬間？會有最后一刻嗎？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？如果沒有最初的瞬間，這是否意味著所有的事情以前都發(fā)生過？空間也是一樣：它是無邊無際的嗎？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，就一直在思考這些問題。如果數(shù)萬年前那些在洞穴里作畫的古人，在晚餐后圍坐在篝火旁時，沒有互相討論這些問題的話，那我倒會感到驚訝。

在過去100 多年的時間里，人們已經(jīng)知道物質是由原子構成的，而原子又是由電子、質子和中子構成的。這給我們上了重要的一課——人類的感知能力盡管有時令人驚異，但大多數(shù)時間卻相當粗糙，以至于無法直接看到大自然的構成要素。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成人類和其他生物的細胞，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，甚至是構成質子和中子的夸克。

所有這些發(fā)現(xiàn)都如此神奇，也使我們提出了更多的問題。電子和夸克是構成物質的最小單位嗎？或者它們本身也是由更小的實體組成的？人們繼續(xù)探索的時候，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部分嗎？或者存在一個最小的空間單位嗎？有最小的距離嗎？同樣，我們也想知道，時間是無限可分的嗎？有最小的時間單位嗎？存在一個最簡單的事件嗎？

直到大約100 年前，這些問題才有了一套公認的答案，這也構成了牛頓物理學的理論基礎。直到20 世紀初人們才認識到，這個體系雖然對科學和工程學的許多發(fā)展有很大的推動作用，但在回答關于空間和時間的基本問題時，卻是完全錯誤的。隨著牛頓物理學被推翻，這些問題終于有了新的答案。這些答案來自新的理論，主要是愛因斯坦的相對論（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）。但這僅僅是這場革新的起點，因為這兩個理論都還不夠完善，不足以作為物理學的新基礎。雖然這兩個理論都非常有用，能夠解釋許多事情，但每一個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，它并沒有像牛頓物理學一樣在描述原子結構時土崩瓦解。量子理論也解釋了許多物質和輻射的性質。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，廣義相對論（general relativity）是一個關于空間、時間和宇宙的理論。與牛頓理論相比，廣義相對論適用于更大的尺度，所以許多證實廣義相對論的觀測都來自天文學。然而，當廣義相對論遇到原子和分子的行為時，它似乎就失效了。同樣，量子理論似乎與愛因斯坦的廣義相對論對空間和時間的描述不相容。因此，人們不能簡單地將這兩者結合起來，構建一個理論來同時解釋原子和太陽系，再到整個宇宙。

要解釋為什么很難將相對論和量子理論結合起來并不困難。任何物理理論都不僅僅是一種關于世界上存在著什么粒子和力的記載。當我們環(huán)顧四周，開始描述所看到的東西之前，必須對自己做的科學研究做出一些假設。人們都會做夢，大多數(shù)人在醒著的時候，可以毫不費力地將夢與自身的真實經(jīng)歷區(qū)分開來。人們都會講故事，大多數(shù)人也都堅信事實和虛構之間是有區(qū)別的。因此，基于夢、故事與現(xiàn)實之間的不同關系的假設，我們會以不同的方式談論它們。這些假設可能因人而異，因文化而異，而且會被各類藝術家作為主題修改。但是無論有意或無意，如果它們沒有被闡明，就可能會導致混亂和迷茫。所以，先闡明這些假設非常重要。

同樣，不同物理理論對其所觀測到的現(xiàn)象和事實所做的基本假設也是不同的。如果不仔細地解釋這些假設，在我們試圖比較不同理論對世界的不同描述時，就會產(chǎn)生混亂。

本書的討論主要從兩個非�；�本的問題展開，其所依據(jù)的理論各不相同。其一是空間和時間的本質是什么。牛頓物理學給出了一個答案，廣義相對論則給出了另一個答案，后文會詳細介紹。值得注意的是，愛因斯坦徹底地改變了人們對空間和時間的理解。

其二是觀察者與其觀察到的系統(tǒng)有什么關系。這里必須存在某種關系，否則觀察者甚至不會意識到這個系統(tǒng)的存在。但是，對于觀察者和被觀察對象之間的關系，不同理論的假設差異很大。特別是，量子理論對這個問題所做出的假設與牛頓物理學完全不同。

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

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

新的理論暫時還未完成，但它已經(jīng)有了一個名字：量子引力理論（quantum gravity theory）。這是因為該理論的一個關鍵部分涉及將量子理論向引力理論擴展，而量子理論是理解原子和基本粒子的基礎。我們現(xiàn)在普遍從廣義相對論的角度理解引力，認為引力實際上是空間和時間結構的一種表征。這是愛因斯坦最令人驚訝也最美麗的頓悟，對于這一點，后文會進一步論述。我們現(xiàn)在面臨的問題，用基本物理學的行話說，是將愛因斯坦的廣義相對論與量子理論統(tǒng)一起來，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于空間和時間本質的新答案，但這不是全部。量子引力理論必須是關于物質的理論，所以它必須包含20 世紀獲得的對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宇宙學的理論，它會回答現(xiàn)在看來非常神秘的關于宇宙起源的問題，例如宇宙大爆炸究竟是最初的時刻，還是僅僅是一個與以前存在的世界不同的世界的過渡。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幸運的意外。

在步入21 世紀之時，科學界最具有挑戰(zhàn)性的問題莫過于完成這一理論。大多數(shù)人可能會想，這是否太難了？它是否會因為某個數(shù)學問題或意識的本質問題而永遠無法得到解決？一旦你看到問題的宏大，那么持有這種觀點并不奇怪，甚至許多優(yōu)秀的物理學家也深以為然。二三十年前，當我在大學里開始研究量子引力理論時，一些老師就告訴我，只有傻瓜才會研究這個問題。的確，那時很少有人認真研究量子引力。我不知道他們是否會聚在一起共進晚餐，可能會吧。