舞台与演员——漫谈时空观的变革

时空是物理学永远的主题,甚至可能是其归宿。

李白在《春夜宴桃李园序》中说:“天地者万物之逆旅,光阴者百代之过客。”这是诗人的时空观。物理学家的时空观当然要比诗人的更具体。自牛顿以来,时空观历经了几次重大的变革。

在牛顿力学体系中,空间空空如也,时间均匀流逝,两者互相独立,均与物质及其运动毫不相干。在他看来,空间是舞台,万物是演员,无论演的是悲剧还是喜剧,都是演员在演,舞台只提供演出场所,与剧情无关。几百年来物理学界一直沿用牛顿的时空观:时间和空间都是绝对的,是独立于物质世界之外的一种框架。

1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论。根据光速不变原理和相对性原理,同一物理过程在不同参照系中的表现是不一样的。例如,在静止参照系中同时发生的两件事,在运动参照系中就不是同时发生的;以及运动的钟会变慢,运动的尺会缩短,如此等等。这好比同一个剧本,同一班演员,在不同的舞台上演出时剧情变了——原来一对情侣“人约黄昏后”,在另一个舞台上却“不见伊人来”。狭义相对论还认为:时间和空间不是独立的,两者共同构成时空连续统。与牛顿的绝对时空观不同,狭义相对论将时间与空间联系起来,将时空与运动联系起来。这是时空观的第一次变革。

爱因斯坦
物理学家爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)

1915年,爱因斯坦提出广义相对论,其中心思想是:物质和能量的分布决定时空的结构——导致时空弯曲,这种时空弯曲等效于万有引力,反过来又影响物质的运动。物理学家惠勒曾这样形容广义相对论:“质量抓住空间告诉它怎样弯曲,空间抓住质量告诉它怎样运动。”按照广义相对论,时空结构与物质密切关联,相互影响。沿用前面的比喻:演员兼任建筑师,建造舞台;舞台兼任导演,指导演员演出!这是时空观的第二次变革,其意义比第一次更深刻。

1928年,狄拉克提出相对论量子方程,他不仅引入了负能级和反粒子等重要概念,还由此改变了传统的真空观念:真空并非空空如也。真空中充满着方生旋灭的正反虚粒子对而形成真空起伏,像光子等玻色子还具有零点能。真空起伏的具体表现——量子噪音和开希米效应均为实验所证实。所以,真空不空!进一步的理论研究指出,真空可能有不同的态,可能会发生相变。所以,真空是实体。空间当然不可能比真空更空,因此空间也是实体,是物质存在的一种特殊形态。再沿用前面的比喻:舞台本身就是演员,永远在演戏,从来不空台!这是时空观的第三次变革,它将空间物质化。再回到李白的文章,他以天地这个具体的东西代表空间,与空间物质化不谋而合,显示出诗人惊人的洞察力!

李政道认为:真空是21世纪物理学可能产生突破的一个领域。果真如此,我们可能尚未领会时空观第三次变革的全部含义。

李政道
物理学家李政道

以上是对时空观变革的历史回顾,下面我们来展望未来时空观进一步变革的可能途径。

空间是物质就应该具有质量,空间的质量可能很小,但空间的范围遍及整个宇宙,它的质量之总和可以很大,从而对宇宙学可能产生重要的效应。根据宇宙大尺度的观测结果,天文学家算出已知的物质不足以解释宇宙的膨胀速率,他们认为存在所谓“暗物质”,而且暗物质可能超过已知物质10倍!迄今为止,物理学家尚未找到暗物质。空间的物质化提供了一条思路:空间本身是否就是一种暗物质呢?天文学家正在思索。

如前所述,时间观念虽经过了几次重大变革,但至少还存在一个根本问题——时间的单向不可逆性,它一直是个谜:为什么时间一去不复返?过去一般认为与热力学第二定律的增熵有关,但第二定律的统计解释指出增熵是最可几事件,而不是绝对的,统计规律并不排除瞬时减熵的可能性。据此,难道时间的瞬时逆转也是可能的吗?时间的单向不可逆性是科学界的热门话题:霍金认为是由于宇宙膨胀,盖尔曼认为是由于宇宙起源大爆炸时的初始条件,还有人认为与基本粒子的弱相互作用时间反演不守恒有关……众说纷纭,莫衷一是。看来此路前途多艰,于是有人朝相反方向探路:广义相对论方程有“时间隧道解”,在一定条件下允许时间逆转。据此,提出了“外祖母佯谬”:人可以通过时间隧道返回历史,亲历自己外祖母的诞生!对这种天方夜谭当然可以一笑置之,但时间的单向不可逆性至今仍然是未解之谜,谜底的揭晓将会带来时间观念的又一次重大变革。

前面提到:空间已经物质化了,根据相对论空间和时间一起构成四维连续统,两者不可分割。问题是:时间是否也应该物质化?空间物质化的具体内容是真空不空,时间物质化的具体内容是什么呢?它对舞台上演员的演出又会产生哪些影响呢?这些都是值得物理学家深思的问题。

近年来,一些物理学家正在发展超弦理论,其中引入了多维空间概念:物理时空超越通常的4维时空(时间1维,空间3维),超弦理论曾采用过26维或10维时空;最新的超弦理论——“M理论”采用11维时空,其中时间1维,空间10维,这比通常3维空间多出了7维。超弦理论认为:额外的7维空间由于极度弯曲而自行闭合,形成极其微小的超微观内禀空间,用目前的实验手段无法测出。再沿用前面的比喻:超弦理论的舞台是复式的,大舞台中隐藏着许多小舞台,这些微型舞台观众看不见,看不见的舞台要它何用?难道是为演员们彩排专用的吗?超弦理论发展迅速,但尚未得到实验证明,只是一种假说。以后如能为实验所证实,它将带来时空观的第四次变革。

看来.只要物理学在发展,时空观始终占有其重要地位。这就好比演员们都向往百老汇一样,谁不想登台表演一番呢?

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发布时间:2015/3/7 下午8:50:45  阅读次数:3294

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