物理學(xué)之所以進(jìn)步，是因為它不斷挑戰(zhàn)了我們的直覺。但現(xiàn)在，為了進(jìn)一步的發(fā)展，我們可能需要重新考慮那些我們認(rèn)為最基本和直觀的概念——時空本身。物理學(xué)主要描述物體如何在時空中運動。它們是物理學(xué)展現(xiàn)的舞臺。但當(dāng)涉及到最微小的尺度和最大的能量時，這個舞臺開始崩潰，物理學(xué)隨之崩潰。許多人認(rèn)為，要使物理學(xué)再次完整，唯一的方法是打破我們迄今為止最強大的直覺。在我們的思維中，時空似乎非常基本，但這種首要地位可能不超出我們的思維范圍。

在許多推動物理學(xué)邊緣的新理論中，基本層面的時空并不是我們認(rèn)為的那樣。我們將在接下來的內(nèi)容中探討時空的“真實性”。我們會問：我們的思維是否對外部真實的東西有一個忠實的表現(xiàn)，如果沒有，為什么我們會這樣考慮時空？如果時空不是基本的，那么什么是基本的？時空是從哪里產(chǎn)生的？但今天我們首先要探討絕對的時空概念是如何產(chǎn)生的，以及這個概念是如何開始崩潰的。我們有這樣一個對空間的感覺，它是一個延伸的空虛——一個等待被物質(zhì)填充的體積——一個規(guī)則的、連續(xù)的、可以映射的空間，其中包含了所有存在的東西。

與此同時，時間持續(xù)不斷地從未來流逝到過去，一切都受到一個恒定不變的時鐘的影響。但是，空間和時間被認(rèn)為是“獨立存在”的，與它們包含的內(nèi)容無關(guān)。這種觀念在物理學(xué)中被確認(rèn)的同時，也在近期的普遍直覺中得到了認(rèn)同。然而，人們已經(jīng)為時空的現(xiàn)實性或基礎(chǔ)性爭論了幾千年。我們可以總結(jié)時空的兩大觀點為：一種是關(guān)系性的——視空間為物體之間位置關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)；另一種是絕對的——視空間為獨立于物體并包容物體的真實存在。似乎后一觀點在近期才逐漸被人們接受。讓我們從古人開始。他們顯然對空間進(jìn)行了深入的思考，畢竟他們制作了地圖并發(fā)明了幾何學(xué)。但歐幾里得和畢達(dá)哥拉斯等人的幾何學(xué)并不需要將空間視為一個絕對的實體——它們是關(guān)系性的。例如，三角形是由其邊的相對長度和其內(nèi)部角度來定義的。

你不需要一個坐標(biāo)網(wǎng)格來定義一個三角形——這很好，因為古希臘人沒有這樣的坐標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)然，他們的地圖上有經(jīng)度和緯度，但他們并沒有我們現(xiàn)代的習(xí)慣，也就是在空白空間上建立x、y和z軸。因此，他們并不傾向于認(rèn)為空的空間有其自己的獨立存在。坐標(biāo)網(wǎng)格的概念要晚得多。也許你聽說過笛卡爾坐標(biāo)系。x，y和z軸，每個軸與其他軸成90度，并進(jìn)行網(wǎng)格化，以便空間中的任何點都可以用三個數(shù)字來定義——每個軸上最近的網(wǎng)格標(biāo)記的值。有了坐標(biāo)系，我們可以在空間中表示抽象的數(shù)學(xué)概念，例如繪制代數(shù)函數(shù)。同時，這個系統(tǒng)也使我們能夠描述無限大或者想象中的物理空間，這種描述方法很快將對整個物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

關(guān)于空間的真實性，笛卡爾堅定地支持像柏拉圖這樣的哲學(xué)家觀點，認(rèn)為不存在真正的虛空。對于笛卡爾來說，空間的真實性僅在它描述物體和物質(zhì)的范圍時才存在。但真正的數(shù)學(xué)坐標(biāo)系統(tǒng)的出現(xiàn)為一種與之截然不同的空間觀念打開了新的可能性。

這種新觀念幾乎完全歸功于艾薩克·牛頓。他給了我們一套方程，似乎可以完全描述物體的運動以及這些運動如何通過它們相互作用的力量而改變。牛頓力學(xué)建立在笛卡爾坐標(biāo)上，并假設(shè)有一個普遍的時鐘。這種機械學(xué)證明了極大的成功—真正的革命。成功到許多人，包括牛頓在內(nèi)，開始認(rèn)為機械學(xué)的基礎(chǔ)組成部分—空間和時間的坐標(biāo)—在某種程度上是物理存在的。牛頓本人堅稱空間是絕對的；它完全獨立于其中的任何物體存在。笛卡爾網(wǎng)格所暗示的空的體積本身就是一個實體。根據(jù)牛頓的說法，時間也是絕對的。從亞里士多德到笛卡爾，“時間”大多被理解為事件的計數(shù)。但在牛頓的觀點中，存在一個統(tǒng)一的普遍時鐘，對所有觀察者來說時間都是相同的—即使在沒有任何變化的情況下，時間也會“自己”流逝。

牛頓還相信存在一個絕對的靜止概念。也就是說，有一個參考系的x，y和z軸是不動的，如果您的位置相對于這些軸是固定的，那么您就是真正靜止的。這與一個世紀(jì)前伽利略的觀點相反，他向我們展示了速度是相對的—您為另一個旅行者測量的速度取決于您自己的速度。在任何非加速或慣性參考系中，物理定律都是相同的，因此所有這樣的參考系都是平等的。盡管牛頓接受了伽利略相對論的數(shù)學(xué)后果，但他認(rèn)為我們在定義一個首選慣性框架時遇到的困難是人類思維的局限性，而不是宇宙的局限性。

牛頓力學(xué)的成功提高了空間和時間在每個人心中真實性的觀念。但是有一個突出的反對者。牛頓有一個仇敵?；蛘呖赡苁桥ｎD想成為這家伙的仇敵。好吧，他與德國數(shù)學(xué)家戈特弗里德·威廉·萊布尼茲表演了一個相互的敵意關(guān)系。他們最著名的競爭是關(guān)于微積分的發(fā)現(xiàn)，他們獨立地找到了答案—萊布尼茲可能首先得到了它。然而，牛頓指控萊布尼茲抄襲，并且作為當(dāng)時最有影響力的科學(xué)家，他確保了這項榮譽歸于自己。但這兩者之間的另一個爭議點是關(guān)于空間和時間的性質(zhì)。

萊布尼茲并不接受牛頓的說法，即這些維度在某種意義上是真實的，獨立于其中的任何事物。相反，他認(rèn)為空間和時間都是相對的。那到底意味著什么呢？好吧，這意味著物體確實存在，但它們不生活在一個三維或任何其他維度的空間中。

相反，我們認(rèn)為的空間分離是物體本身的一種質(zhì)量，或者更確切地說是它們之間的連接。讓我試著給你一種感覺，對于空間如何在物體或它們之間的關(guān)系中編碼，而不是獨立于這些物體存在的意義。讓我們從只想象一個空間維度開始，用線來表示。這是一個牛頓空間，每個點代表一個1-D宇宙中的絕對位置。我們可以把一些粒子放進(jìn)這個宇宙?？臻g中每個的位置都是由它在空間中的位置定義的，無論我們是否添加了一個坐標(biāo)系統(tǒng)，它都在那個網(wǎng)格標(biāo)記旁邊。

這些粒子可能有內(nèi)在或內(nèi)部屬性，例如，質(zhì)量，電荷等，但它們的位置不是粒子本身的一個量。在萊布尼茲的觀點中沒有空間，所以我們擺脫了線。粒子仍然存在，但它們不在任何地方。它們只是一堆沒有大小或位置的屬性的包?？臻g不存在，所以也許我們應(yīng)該將這些粒子放在彼此的頂部，但再次，如果位置是無意義的，我們也可以分開它們，這樣我們就可以看到它們。讓我們?yōu)槊總€粒子添加一個我們稱為X的新屬性。X是我們稱之為自由度的東西—粒子的某些屬性可以采用不同的值，它可以改變。

自由度的其他例子可能是能量和相位和旋轉(zhuǎn)等。X具有特定的行為方式。例如，它可以自由變化。如果它在變化，那么它會以相同的速度和方向持續(xù)變化。這些粒子對彼此的存在一無所知，除非在特殊情況下。例如，如果兩個粒子的X值接近，則這些X值會相互影響，改變指針轉(zhuǎn)動的速度。也許它們希望嘗試變得更相似，或者它們試圖變得更不同。如果我們用數(shù)字線上的位置來表示這些X值——一個x軸——那么粒子的行為就像粒子在空間中移動，并只在它們靠近時相互吸引或排斥。

我們無法分辨粒子在空間中的移動與從粒子內(nèi)部的自由度中出現(xiàn)的空間樣行為之間的差異。這個思想實驗并不是萊布尼茨所描述的，也不是解釋我們的宇宙應(yīng)該是如何的。首先，我們需要3個空間維度，而不是一個。X、Y和Z都必須彼此接近才能使粒子相互作用。此外，萊布尼茨認(rèn)為位置是編碼在粒子之間的關(guān)系中，而不是在物體本身中。他給他的基本粒子起了一個名字——單子——其中有一些擁有初級意識，而空間是從它們對彼此的第一人稱視角中出現(xiàn)的。

但我們實際上不需要這些額外的特質(zhì)——具有相互作用的內(nèi)部自由度的粒子的想法說明了空間是如何從元素之間的關(guān)系中出現(xiàn)的，而這些元素本身并不在空間中。所以這就是萊布尼茨對空間的看法。他以相似的方式與牛頓對時間的看法不同，認(rèn)為它是每個元素內(nèi)在變化的度量，而不是保持宇宙同步的宇宙時鐘。

當(dāng)然，那時的牛頓是科學(xué)界無可爭議的大佬，所以他對絕對空間和時間的偏好贏得了物理學(xué)家的支持，并最終進(jìn)入了大眾的意識中。

但誰才是真正對的？物體是在空間中并通過時間移動，還是空間和時間以某種方式存在于物體及其連接中？維度是絕對的還是關(guān)系的？下一個重大發(fā)展似乎支持了牛頓。在19世紀(jì)，我們對電和磁的現(xiàn)象的理解融合在一起，揭示了所謂的電磁場的存在。場只是某種屬性，可以在所有空間點上取得數(shù)值。例如，溫度是在你周圍的空氣中定義的場。這是從空氣粒子的屬性中出現(xiàn)的。但電磁場不需要粒子。首次，場似乎可以是空間本身的屬性。那么，如果空間可以有屬性，那么空間必須客觀地存在。而隨著量子力學(xué)的發(fā)展，更多的內(nèi)在屬性浮現(xiàn)出來——例如，即使在沒有粒子的情況下，空間也被顯示為具有某種能量——所謂的真空能量。

但是，如果我們真的想決定空間和時間是否是真實的——為了在萊布尼茨和牛頓之間做出判斷——我們需要最終的仲裁者。我們需要有史以來最偉大的空間和時間專家——那就是阿爾伯特·愛因斯坦。我們之前多次討論過愛因斯坦的狹義和廣義相對論。

讓我們再次回顧這個理論是如何改變我們對維度觀念的。在狹義相對論中，3-D空間和1-D時間的分離結(jié)束了。它們變成了4-D時空。愛因斯坦表明，我們在空間中的運動和我們在時間中的運動是相互聯(lián)系的。相對于您移動的時鐘從您的視角看起來走得更慢。

然后通過廣義相對論，我們看到質(zhì)量和能量的存在拉伸和扭曲了空間和時間。這導(dǎo)致我們在笛卡爾坐標(biāo)系上期望的直線軌跡變成了曲線，而物體在質(zhì)量存在下的路徑的明顯變化是愛因斯坦對重力的解釋。

相對論推翻了牛頓關(guān)于絕對空間和時間的一些觀念：它們是獨立的實體，存在時間的通用時鐘，以及空間的某種終極、嚴(yán)格的坐標(biāo)系統(tǒng)。但這些對于本文的中心問題意味著什么：關(guān)于空間和時間的真實性呢？實際上，愛因斯坦的宇宙中的時空感覺比之前更為實質(zhì)性。

它就像一塊可以被扭曲的布。它可以儲存能量。它甚至可以傳播波——引力波。愛因斯坦證明空白的空間具有性質(zhì)，所以它必須是真實的，對吧?也許是，但愛因斯坦的觀點與牛頓的完全不同——愛因斯坦甚至稱自己為萊布尼茲式的。

牛頓相信空間是一個基礎(chǔ)舞臺，在這上面粒子和場在跳舞。但愛因斯坦堅稱這樣的背景不存在，因為對他來說，空間和引力場是同一回事。這個場不是繪制在坐標(biāo)系統(tǒng)之上；相反，坐標(biāo)系統(tǒng)是場的一個特性。如果沒有這個場，那么什么都沒有。所以，這讓愛因斯坦的觀點處在在萊布尼茲和牛頓之間。他相信外面有一個可以容納物體的擴展結(jié)構(gòu)，并且可以在其上定義距離和持續(xù)時間，但它并不像牛頓那樣絕對和基本。

如果愛因斯坦是對的，那么笛卡爾是對的，柏拉圖也是對的：沒有所謂的空白空間。引用愛因斯坦的話，“沒有空場的空間”。那么愛因斯坦最后的說法對嗎？遠(yuǎn)非如此。我們知道，在非常小的尺度上——小于10^-35米，也就是普朗克長度，廣義相對論就會崩潰。在這里，它與量子力學(xué)發(fā)生沖突，變得不可能有意義地定義更短的距離。定義比普朗克時間更短的持續(xù)時間同樣沒有意義。愛因斯坦的理論和量子力學(xué)之間的這種沖突是進(jìn)入物理學(xué)下一級的主要挑戰(zhàn)和靈感來源。

基本上，所有可能的前進(jìn)路徑都迫使我們重新思考我們對維度的理解，無論是像弦理論那樣增加它們的數(shù)量，還是像我們討論過的環(huán)量子引力那樣使它們從那些不在空間內(nèi)存在的元素中出現(xiàn)，如沃爾夫拉姆物理項目的細(xì)胞自動機，或在全息地平線上元素之間的糾纏，或從阿卡尼-哈梅德的振幅體中出現(xiàn)。

如果這些后者中的任何一個是真的，那么萊布尼茲可能有所發(fā)現(xiàn)；空間存在于某種基本的東西之間的關(guān)系中，而不是作為一個絕對和物理上真實的結(jié)構(gòu)。萊布尼茲還有另一個有爭議的觀點：他認(rèn)為空間在我們的頭腦中。這并不是說現(xiàn)實存在于我們的思維中，甚至也不是說空間不存在。

相反，萊布尼茲覺得那些像空間那樣表現(xiàn)的東西只有當(dāng)我們的大腦試圖組織被一個完全更抽象的性質(zhì)分隔的物體時才會獲得深度、寬度、高度和距離的主觀感覺。這有點像大腦解釋光的頻率時只有紅色的主觀體驗。

很難想象一個沒有空間或時間的宇宙。維度似乎與我們的大腦硬連線在一起。也許為了在物理學(xué)上前進(jìn)，我們需要打破這個先入為主的觀念。如果是這樣，我們需要探索我們的大腦是如何構(gòu)建我們非常有說服力的空間和時間內(nèi)部世界的。

?

文中概念解釋：

沃爾夫拉姆物理項目是由Stephen Wolfram及其團隊推出的一個研究項目。該項目的核心目標(biāo)是通過一個簡單的規(guī)則系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)宇宙的基本理論。Stephen Wolfram提出，與其從傳統(tǒng)的物理方程出發(fā)，不如從超簡單的計算規(guī)則出發(fā)，并看看這些規(guī)則如何隨時間發(fā)展并產(chǎn)生復(fù)雜的行為。沃爾夫拉姆認(rèn)為，通過這種方法，我們可能會發(fā)現(xiàn)宇宙的基礎(chǔ)操作和結(jié)構(gòu)。這意味著從最簡單的規(guī)則開始，然后觀察這些規(guī)則如何演變，可能揭示了自然界的基本法則。這個項目與傳統(tǒng)的物理方法存在明顯差異，因為它不直接基于既有的物理定律或方程，而是試圖從計算的角度重新審視宇宙的結(jié)構(gòu)和行為。沃爾夫拉姆物理項目提出了許多有趣的觀點和模型，但它仍然是一個在學(xué)術(shù)界有爭議的話題。一些物理學(xué)家認(rèn)為這種方法可能太過簡化，而其他人則認(rèn)為它提供了一個全新的、有潛力揭示宇宙真相的視角。

?

阿卡尼-哈梅德的振幅體是一種在粒子物理中用于描述散射振幅的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。它不僅為計算散射振幅提供了一個新的和更簡潔的方法，而且在其結(jié)構(gòu)中不包含傳統(tǒng)的空間和時間觀念。振幅體的引入打破了標(biāo)準(zhǔn)的費曼圖方法，并為理解量子場論的更深層次結(jié)構(gòu)提供了新的視角。這個觀點從更基礎(chǔ)的原則開始，例如單位性和局部性，而不是常規(guī)的空間和時間觀念。振幅體提供了一個空間，其中粒子相互作用的各種可能性都可以被視為其不同的點。簡而言之，阿卡尼-哈梅德的振幅體為我們提供了一種重新思考和計算粒子如何相互作用的方法，而不必依賴傳統(tǒng)的、基于費曼圖的方法。

?

引力波是由愛因斯坦的廣義相對論在1915年所預(yù)測的物理現(xiàn)象。簡而言之，它們是由于宇宙中的某些質(zhì)量變化（如兩個黑洞的合并）引起的時空扭曲的波動。這些波動像水面上的波紋一樣傳播，只是在這種情況下，它們傳播的是時空的“形狀”或結(jié)構(gòu)。當(dāng)引力波經(jīng)過一個區(qū)域時，它會使空間輕微地伸展和壓縮。這種效應(yīng)非常微小，以至于直到2015年，科學(xué)家們才首次直接探測到引力波。探測到的引力波來自于兩個并合的黑洞，這一事件被稱為GW150914。探測到引力波的設(shè)備是激光干涉儀，通過檢測兩個非常長的垂直臂中的激光束的相互干涉來測量微小的空間變化。

?

CMB是“宇宙微波背景輻射”（Cosmic Microwave Background）的縮寫。它是宇宙大爆炸之后留下的輻射，是宇宙初生時期的一個快照。CMB為我們提供了大爆炸模型的強有力證據(jù)，并被用作研究宇宙的早期條件和宇宙學(xué)模型的基礎(chǔ)。

?

好的，本篇內(nèi)容到此為止，如果您喜歡今天的內(nèi)容，請為我點贊。如果您還沒有關(guān)注，請關(guān)注我，并加上星標(biāo)，以便您不會錯過將來的任何一篇文章的更新，也請告訴我們您對今天的內(nèi)容有什么想法。大家的支持激勵我繼續(xù)提供這樣的高質(zhì)量內(nèi)容，并始終改進(jìn)。一如既往，感謝您的閱讀，我們下次再見。

?

?