時空的概念

撰文/李淼 我們在時空中體驗時空的存在。例如，中國古代就有宇宙一詞，其中「宇」指的是空間，「宙」指的是時間。地質年代的最大單位我們就翻譯成宙。康德曾就人類對時空的先驗直覺有過深入的討論，而直到近代科學階段，時間和空間才有嚴格的數學物理定義。在牛頓那裡，時間是絕對的；雖然有伽利略相對性原理，牛頓也覺得有絕對空間存在。對於牛頓，時間空間是獨立的物理存在。而萊布尼茲對時空的理解更接近我們對時空的現代理解，即這些最基本的物理概念都有可操作的定義。例如時間的定義就是事件的次序，我們通常用周期性運動來定義時間單位。 撇開時間的單向性，我們想問，在物理學中，時間究竟是什麼？很遺憾，直到今天，除了一些操作性的定義，我們並不知道時間究竟是什麼。時間的操作定義與人們心理上感到的時間很類似，也就是說，當我們感到變化，我們覺得時間流過，或時間在流逝。所以，時間和變化即運動有關。為了量度時間，我們需要找到可以信賴的運動，例如天體在天空中的位置的變化。一天，就是太陽升起落下和再升起，或星星在天上東升西落一個周期。一月，是月相變化的一個周期。一年，是地球繞著太陽運動的一個周期。所有這些都和周期運動有關。有時，我們覺得這樣定義的時間並不准，這和周期是否是嚴格的有關。現代授時技術已經用到了原子鐘，這是基於某些原子的躍遷頻率。 以上的時間的操作性定義基於一個假定，即時間的均勻性，或某種周期運動本身的均勻性。這看上去有點同義反覆，但並不完全是這樣。時間的均勻性和時間的另一個性質密切相關，就是物理定律在時間上的「平移不變性」，一個物理定律在一萬年前是如此，一萬年後也是如此。周期運動是物理定律的一個結果，所以周期運動的一個周期是均勻的。在牛頓力學中，時間是均勻流動的，在愛因斯坦的狹義相對論中，時間同樣是均勻流動的。時間的均勻性和物理學中另一個深刻的現象有關，就是對稱性意味著一個守恆的物理量。物理定律在時間上的平移不變性是一個對稱性，其對應的物理量是能量，能量守恆和時間平移不變性是同義語。我很難用一個形象的辦法解釋為什麼時間平移不變蘊含著能量守恆，我們可以將這個關係作為物理學的一個結論接受下來。當然，如果你接受量子力學的一個基本定律也能理解時間和能量的關係。在量子力學中，頻率與能量成正比，那麼，時間的均勻性意味著頻率的不變性，也就是能量守恆了。 在物理學中，無論是牛頓力學體系還是愛因斯坦的狹義相對論，空間也是均勻的，就是說，你在一個實驗室發現的定律，在另一個實驗室同樣適用。空間的均勻性也意味著一個守恆量，就是動量守恆。我們同樣可以利用量子力學解釋兩者之間的密不可分的關係。在量子力學中，動量與波長成反比，如果空間是均勻的，那麼一個波長傳播到另一個地方波長不變，意味著動量守恆。 馬赫也許是歷史上第一個質疑絕對空間的合理性的人，他的質疑直接導致愛因斯坦開始思考時空問題，以及後來發現狹義相對論和廣義相對論。在愛因斯坦的理論中，時間和空間是有機的整體，相互之間可以有一定程度的互換，而且時間的流逝不再是均勻的，空間也是可以彎曲的。但時空還是有本質的不同，比如因果律依然是嚴格的，即我們不能回到過去殺死我們的祖父。用專業的術語來說，就是兩個事件的間隔可以是類時的（兩個事件可以有因果關聯），可以是類空的（兩個事件不可能有因果關聯），也可以是類光的（兩個事件可用光速運動連接），這三種間隔不可以互相轉換。 時空在愛因斯坦的理論中已經從牛頓的絕對存在變成和其他物理對象類似的概念，即是可變的，與物質相互依賴。所以愛因斯坦說過，時間是我們根深蒂固的幻覺。在現代弦論中，空間可以不是最基本的概念，有點類似水波那樣是衍生的概念：也許在宇宙極早期空間失去可觀測和可操作性。那麼時間呢？很多弦論學家也懷疑時間可能是衍生的，雖然我們還沒有具體的例子。最近對引力作為熵力的研究也說明空間是衍生的概念，而不是像我們過去認為的那樣是最基本的概念。 另外，雖然在現代物理理論中，時間還是單向和一維的，空間卻可以高於三維，額外的空間維因為各種原因我們不能直接感受到，例如尺度太小。 我覺得，不論理論上還是實驗上，我們對時空的概念必將面臨革命性的變化。
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