時(shí)間和空間到底是不是“一家人”?這個(gè)物理學(xué)官司從牛頓、愛(ài)因斯坦的時(shí)代一直打到了今天。
有句老話說(shuō)“誰(shuí)笑在最后，誰(shuí)笑得最甜”。但在物理學(xué)上，要想“笑”的話，可真得存點(diǎn)兒心眼，換句話說(shuō)，就是“別高興太早”，因?yàn)檎l(shuí)也不知道自己是否是最后一個(gè)笑的人。
大約100年前，愛(ài)因斯坦推翻了牛頓的時(shí)空觀，建立了狹義和廣義相對(duì)論。那個(gè)時(shí)候笑的是愛(ài)因斯坦?？墒?009年，有位美國(guó)物理學(xué)家卻又提出，在能量非常高的條件下，也許人們要放棄愛(ài)因斯坦的時(shí)空觀，而回到牛頓舊有的時(shí)空觀上去。如果這話沒(méi)錯(cuò)，那么這次笑的恐怕是牛頓了。事情怎么會(huì)這么顛顛倒倒的呢?
愛(ài)因斯坦給時(shí)間、空間做媒人
時(shí)間和空間，對(duì)于人類來(lái)說(shuō)可謂是由來(lái)已久的概念。人們一直把它們當(dāng)作世上所有事情發(fā)生的背景和舞臺(tái)，超然獨(dú)立于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)之外。牛頓的時(shí)空觀就建立在我們的這種直觀基礎(chǔ)之上。牛頓用運(yùn)動(dòng)方程(也就是我們熟知的牛頓第二定律)來(lái)描述物體的運(yùn)動(dòng)，在方程里，時(shí)間和空間是完全獨(dú)立的。時(shí)間和空間被用來(lái)描述物體運(yùn)動(dòng)，但它們自己卻與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，就好比演戲離不開(kāi)舞臺(tái)，但演什么戲、演得如何卻跟舞臺(tái)無(wú)關(guān)一樣。
可是19世紀(jì)末物理學(xué)出現(xiàn)了一系列的難題，迫使愛(ài)因斯坦提出一種全新的時(shí)空觀，顛覆了牛頓的時(shí)空觀。原先彼此獨(dú)立的時(shí)間和空間在愛(ài)因斯坦的撮合下，有史以來(lái)第一次在他的相對(duì)論里“聯(lián)姻”了。
在相對(duì)論中，時(shí)間和空間不再獨(dú)立，而是緊密聯(lián)系在一起，組成了4維的時(shí)空，其中空間3維，時(shí)間1維。時(shí)間流逝的快慢和空間的長(zhǎng)度也不再超然獨(dú)立于運(yùn)動(dòng)之外。運(yùn)動(dòng)的物體，長(zhǎng)度會(huì)縮短，時(shí)間會(huì)變慢。而在廣義相對(duì)論里，連自然界中最基本的力——引力，也解釋成了空間的彎曲。
相對(duì)論和量子力學(xué)過(guò)不到一塊兒
除了相對(duì)論，20世紀(jì)還產(chǎn)生了另一大革命性的理論——量子力學(xué)?？墒瞧婀值氖牵诹孔恿W(xué)里，牛頓的那一套老的時(shí)空觀還依然保留著。也就是說(shuō)，在量子力學(xué)里，時(shí)間和空間彼此獨(dú)立，它們只為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)提供舞臺(tái)……這樣一來(lái)，我們可以想像，相對(duì)論和量子力學(xué)在很多根本性的問(wèn)題上就對(duì)立了。好在應(yīng)用上它們井水不犯河水，相對(duì)論主要應(yīng)用于接近光速的高速運(yùn)動(dòng)粒子以及大尺度空間結(jié)構(gòu)的天體、宇宙等等，而量子力學(xué)則主要應(yīng)用于微觀的粒子。
相對(duì)論和量子力學(xué)也有過(guò)比較成功的結(jié)合，那就是在涉及描述高速運(yùn)動(dòng)的粒子的時(shí)候。這種粒子一方面運(yùn)動(dòng)速度接近光速，必須考慮相對(duì)論效應(yīng);另一方面它們又是微觀粒子，所以須用到量子力學(xué)。物理學(xué)家為此發(fā)展出一套叫做“相對(duì)論量子力學(xué)”的理論來(lái)描述這類粒子。
按照相對(duì)論量子力學(xué)的思想，各種基本作用力都可以解釋為傳播力的粒子的交換。比如說(shuō)，電磁力是通過(guò)電荷之間交換光子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，好比兩個(gè)人相互拋遞一個(gè)球，借此發(fā)生相互作用一樣。核力也被解釋為夸克之間傳遞一種叫做“膠子”的基本粒子所產(chǎn)生的?？墒牵?dāng)物理學(xué)家按同一思路，把引力解釋成物質(zhì)之間傳遞一種叫做“引力子”的粒子時(shí)，卻遇到了前所未有的困難，計(jì)算中不時(shí)出現(xiàn)無(wú)窮大!——這在物理學(xué)上是一個(gè)理論失敗的標(biāo)志。
毛病出在哪里呢?被一個(gè)接一個(gè)的勝利沖昏頭腦的物理學(xué)家這個(gè)時(shí)候才意識(shí)到，毛病可能就出在相對(duì)論和量子力學(xué)在時(shí)空觀上的根本對(duì)立上。這一矛盾不協(xié)調(diào)，相對(duì)論和量子力學(xué)就不可能真正手牽手。
時(shí)間和空間又分家
近30多年來(lái)，理論家們一直在艱難地想把相對(duì)論和量子力學(xué)“融為一爐”，但都收效甚微。
與此同時(shí)，相對(duì)論和量子力學(xué)的“爭(zhēng)吵”也在升溫，而“爭(zhēng)吵”的結(jié)果似乎對(duì)相對(duì)論不利。譬如說(shuō)，相對(duì)論認(rèn)為自然界中不存在“超距作用”，任何作用的傳播都需要時(shí)間，而且傳播速度不能超過(guò)光速，但實(shí)驗(yàn)上卻發(fā)現(xiàn)，一種叫做“量子糾纏”的現(xiàn)象似乎就是一種超距作用。假設(shè)一個(gè)粒子衰變?yōu)檎戳Ｗ訉?duì)，衰變后正反粒子沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)。它們相離甚遠(yuǎn)時(shí)，比如一個(gè)已經(jīng)跑到銀河系中心，另一個(gè)留在地球上，在如此遙遠(yuǎn)的距離下，它們?nèi)匀挥心撤N關(guān)聯(lián)。當(dāng)其中的一個(gè)被操作(比如對(duì)它測(cè)量)而狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，在銀河系中心的另一個(gè)也會(huì)即刻發(fā)生變化，盡管它們可能相距好幾萬(wàn)光年。而按相對(duì)論的看法，兩個(gè)粒子要相互影響，至少也要幾萬(wàn)年時(shí)間對(duì)方才有反應(yīng)。
超距作用的出現(xiàn)，對(duì)愛(ài)因斯坦的理論很不利。美國(guó)物理學(xué)家彼得·霍扎瓦提出一個(gè)大膽的理論，認(rèn)為要想建立滿意的量子引力理論，人們應(yīng)該放棄愛(ài)因斯坦的時(shí)空觀，而回到牛頓舊有的時(shí)空觀上來(lái)。
據(jù)說(shuō)霍扎瓦的靈感來(lái)自電子在石墨烯中的運(yùn)動(dòng)。石墨烯是一種單層的石墨，它有很多非常奇特的性質(zhì)。比如說(shuō)，在常溫下電子在石墨烯中的運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)低于光速，所以這個(gè)時(shí)候描述它的運(yùn)動(dòng)沒(méi)必要考慮相對(duì)論，只要用量子力學(xué)就可以了;而當(dāng)石墨烯的溫度降到接近絕對(duì)零度時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)速度竟有了意想不到的提高，這時(shí)就不能不考慮相對(duì)論效應(yīng)了。
在這個(gè)例子中，常溫下不考慮相對(duì)論并不是說(shuō)在這種情況下相對(duì)論失效了，其實(shí)考慮了相對(duì)論結(jié)果肯定會(huì)更精確，只是計(jì)算起來(lái)麻煩，而且對(duì)最后結(jié)果影響不大，因此沒(méi)必要“殺雞用牛刀”而已。
而霍扎瓦則想得更遠(yuǎn)，他想到了相對(duì)論在另一些情況下失效的可能。比如他猜測(cè)，在量子引力發(fā)生作用的時(shí)候(尺度大約在10-35米的范圍)，相對(duì)論也許真的就失效了，這個(gè)時(shí)候，時(shí)間和空間完全分離開(kāi)來(lái)。在物理學(xué)上，這種狀態(tài)屬于超高能狀態(tài)，大概只在宇宙大爆炸最初的幾百萬(wàn)分之一秒時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。此后，溫度降低(類比于石墨烯中溫度降低)，時(shí)間和空間才糾纏在一起，相對(duì)論才開(kāi)始起作用。
牛頓又笑了起來(lái)
通過(guò)這一思路，霍扎瓦修改了愛(ài)因斯坦的引力方程，得出了大家夢(mèng)寐以求的量子引力理論，而且計(jì)算中不會(huì)出現(xiàn)無(wú)窮大。如果這個(gè)新理論正確，那么愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論就是霍扎瓦理論在低能條件下的近似了，這就像當(dāng)初牛頓力學(xué)是相對(duì)論在遠(yuǎn)低于光速的條件下的近似一樣。
霍扎瓦為牛頓報(bào)了“一箭之仇”，如果牛頓地下有知，會(huì)不會(huì)開(kāi)心地笑起來(lái)呢?
不過(guò)這個(gè)新理論是不容易驗(yàn)證的。它所要求的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地球上所能實(shí)現(xiàn)的條件。所以，目前只能當(dāng)作是“一家之言”。
但物理學(xué)家們已經(jīng)在迫不及待地用新理論來(lái)重新解釋當(dāng)前物理學(xué)上的諸多難點(diǎn)了。比如物理學(xué)家曾經(jīng)很頭疼宇宙開(kāi)端的奇點(diǎn)，體積無(wú)窮小，而質(zhì)量卻又無(wú)窮大，十分古怪。當(dāng)把霍扎瓦的引力理論用于研究宇宙大爆炸時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)，宇宙并不會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)，宇宙收縮到一定程度后，又會(huì)反彈膨脹起來(lái)。此外，還有人用新理論來(lái)解釋神秘的暗物質(zhì)、暗能量。
時(shí)間和空間曾經(jīng)在愛(ài)因斯坦的撮合下走到了一起，而如今它們又鬧起了分家。而物理學(xué)家們則在這個(gè)探索過(guò)程中，加深了對(duì)宇宙的理解，也加深了對(duì)時(shí)間和空間的理解。
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