蔡禹僧：時-空觀的飛躍：從絕對到相對

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　　時間、空間的意義究竟是什么——所謂時-空“本質(zhì)”？——沒有一勞永逸的回答，甚至在時間、空間是“主觀的”還是“客觀的”的判斷之間也不能作明確的選擇。人類只是盡力用語言——包括數(shù)學(xué)語言——去表征它，又通過這些表征進一步解釋時間-空間的意義；
理性想象力對時-空的表征的完善性還要通過關(guān)于實在的經(jīng)驗檢驗，但不能教條而刻板地理解檢驗的意義，比如非歐幾何在創(chuàng)始之初似乎沒有任何對應(yīng)實在的可能性，而只不過是天才數(shù)學(xué)家的妄想，但經(jīng)過幾個世紀，人們還是發(fā)現(xiàn)了非歐幾何比歐幾里德幾何更接近實在；
而且“實在”（康德所謂現(xiàn)象）也不是非形上學(xué)性的“科學(xué)概念”，關(guān)于實在的經(jīng)驗對理性想象力（理論）的檢驗也就具有永恒的相對性。當(dāng)代理論物理學(xué)的超弦/M理論的時-空是10維或11維，那么人們所能想象的為什么僅有四維時-空呢？其他6或7維空間為什么不能想象呢？實際上在數(shù)學(xué)方程中時-空甚至可以任意維，并不需要我們?nèi)ハ胂笏木S以外的多出來的空間維數(shù)。如果新理論不僅能解釋舊理論所能解釋的現(xiàn)象，而且能解釋舊理論所不能解釋的物理現(xiàn)象，那么新理論就是成功的理論�！俺晒Φ睦碚摗北取罢鎸嵉睦碚摗被颉罢�確的理論”的提法更優(yōu)越，所以理論物理學(xué)能讓我們深切體會到真理的相對性意味著什么。所謂科學(xué)理論并非意味著它是“正確”（在其嚴格意義上）的理論，而是具有被推翻的可能性，如果它不具有被推翻的可能性它就不是科學(xué)理論，而是詩或者形而上學(xué)語句，科學(xué)的證偽性思想是上世紀科學(xué)哲學(xué)家卡·波普爾在人類思維發(fā)展史上的重要貢獻。

　　時間、空間顯得必不可少只是因為我們需要這些概念描摹我們觀察到的現(xiàn)象，而追問世界中究竟有沒有不依賴于人類存在而獨立存在的時間、空間依賴于我們對問題以何種方式理解而提出。假如宇宙中沒有智慧生命（人類目前知道自己是惟一一種），那么世界也就的確沒有時間、空間的概念了。在人類存在前和人類滅絕后時間、空間依舊存在——這個判斷依然是以人類現(xiàn)在存在為前提。人類所說任何“客觀”都不過是主觀的一種，這種認識是建立在我們?nèi)祟惖母杏X、知覺、理性之于世界現(xiàn)象的關(guān)系。這是一種相對性的關(guān)系，以為我們的理性接受的感官對于現(xiàn)象世界的感覺印象就是世界本身所固有的物自體，那就陷入了絕對主義，而絕對主義是絕對不完善的；
當(dāng)然反過來說，人類對現(xiàn)象世界的感覺印象都是虛假和夢幻——也是錯誤的，世界在人面前所現(xiàn)之象當(dāng)然不是物自體的假象，但也不是物自體的全部真相，康德認為，把眼見的現(xiàn)象當(dāng)作物本身總是在邏輯上引起矛盾，任何現(xiàn)象都先天地是觀照者的表象形式。人類自然可以把自己觀察的現(xiàn)象和對現(xiàn)象的解釋用自己的語言來描述，但必須明確，這種語言只是可能的一種而不是惟一的一種。我們之所以感覺到時間、空間存在只是因為自然現(xiàn)象的因果序列的變化，如太陽的升起和降落、人的從搖籃到墓地的過程（時間），萬物都存在于天地間（空間），于是我們就用時間、空間概念描述我們生存其中的世界的各種現(xiàn)象。一方面，對于時間、空間的概念總是隨著我們觀察的深入而得以修正；
另一方面我們的理性總是不滿足于感覺印象的浮泛而欲追問時-空概念的確切的意義。數(shù)學(xué)與物理學(xué)是思辨理性之于概念符號建立起來的嚴格邏輯系統(tǒng)，但這個系統(tǒng)的“根”也與人類的信念相聯(lián)系，否則羅素悖論就能夠被形式邏輯完全克服，但羅素的解決方案（類型論）并不徹底，這說明理性科學(xué)具有不可擺脫的形而上學(xué)基礎(chǔ)，完全自洽的形式-數(shù)理邏輯的科學(xué)是沒有的。世界時-空有限還是無限的康德背反看起來是被現(xiàn)代宇宙大爆炸理論克服了，世界是有邊界的，但大爆炸的原因沒有上帝之外的物理學(xué)解釋，宇宙生成的終極原因仍然闕如（或曰終極原因總是上帝）。

　　在我們描述物體運動的方程中，時間和空間被量化了，時間與空間的意義仿佛被固定下來。而實際上數(shù)學(xué)符號系統(tǒng)在一定意義上具有任意性，典型的例子歐氏幾何與非歐幾何（黎曼幾何、巴羅切夫斯基幾何）就是基于不同的公設(shè)得到的不同系統(tǒng)的符號邏輯系統(tǒng)，盡管它們可以統(tǒng)一于更高的邏輯系統(tǒng)——投影幾何[1]。哥德爾不完備定理說明，任何公理化形式系統(tǒng)——如數(shù)學(xué)，總存留在定義該系統(tǒng)的公理基礎(chǔ)上既不能證明也不能證偽的問題[2]，這說明我們?nèi)祟惾魏螄栏裥缘倪壿嬒到y(tǒng)都有著絕對不嚴格性的“阿基里斯腳踵”，或曰邏輯的基礎(chǔ)是非邏輯。沒有所謂主觀與客觀完全相符合的真理，數(shù)學(xué)、物理學(xué)對于現(xiàn)象世界的描述的真實性永遠是相對的。就數(shù)學(xué)而言，是否凡是建立在邏輯思維基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)系統(tǒng)就必定存在關(guān)于實在的物理學(xué)的對應(yīng)者呢？這句話轉(zhuǎn)換成形而上學(xué)語句就是——思維與存在是否具有同一性呢？回答依然沒有絕對性的肯定或否定，我們只能說思維和存在具有相對的同一性，當(dāng)然也可以說具有相對的非同一性。這樣說是否矛盾呢？不是矛盾，而是程度問題，人類思維對于現(xiàn)象的理解應(yīng)該是接近物自體的過程，“相對同一性”是說接近是可能的；
“相對非同一性”是說盡管不斷接近，但絕對“同一”是不可能的，因為我們要接近的物自體在無限遠處�！�—這里所謂同一性不是黑格爾那種浪漫主義的“同一哲學(xué)”的自然哲學(xué)的同一性，像黑格爾那樣要求宇宙中的實在必須與自己非邏輯系統(tǒng)的詩意幻想“同一”（如靜電是物體受摩擦產(chǎn)生的憤怒之類）被赫爾姆霍茨認為是“絕對的狂妄”[3]。

　　人類從古典物理學(xué)的絕對時-空觀上升到現(xiàn)代物理學(xué)的相對時-空觀是人類思想史上最驚心動魄的思想飛躍，愛因斯坦的兩個相對論改變了人類對宇宙的總體看法，從此之后在人類思維中那種根深蒂固的絕對時空觀被拋棄了。當(dāng)然并非說人類已經(jīng)建立了終極正確的時空觀，科學(xué)是一個永遠自我更新的開放系統(tǒng)，前提是如果人類能夠永遠生存于宇宙中的話�？茖W(xué)的可證偽性又并非說科學(xué)是一堆錯誤的集合，而是說任何科學(xué)系統(tǒng)都有待完善。牛頓力學(xué)被愛因斯坦證偽意味著愛因斯坦的相對論包容了一個適用性更大的系統(tǒng)，是一種更高級的綜合，牛頓力學(xué)被作為愛因斯坦相對論的特例保留。而我們地球人正好生活在這個特例的系統(tǒng)中，所以牛頓的絕對時空仍然是我們生活的時空：容器里的蘋果吃掉了，容器空了，所以空間和物體是分離的、彼此毫不相干；
一個人變老了，可屋子里的空間沒有老，時間不會在空無的地方流過，所以時間與空間是分離的、彼此毫不相干。以相對論時-空觀來看，根據(jù)這些常識得出的時間、空間、物質(zhì)分離的看法當(dāng)然都是錯誤的，但由于我們以牛頓時-空觀的錯誤看待世界并不會給我們生活帶來錯誤，所以我們每個人的思辨理性大多不去糾正我們潛意識中時空-觀的錯誤，原因很簡單，我們在地球上生活。在地球上，即使那使愛因斯坦發(fā)現(xiàn)狹義相對論的同時性問題也不會成為大多數(shù)人的問題，因為光信號以每秒三十萬公里速度傳播，而地球周長只不過四萬公里，美國發(fā)生的事件只需光（或電磁波）花費約十五分之一秒便傳播到中國，在我們感覺中好像根本沒有花費時間，這就是我們?yōu)槭裁纯梢酝ㄟ^電視“實時性”地看美國NBA籃球比賽的原因。如果離我們一百光年外的星球上有精彩的足球比賽，他們“實況轉(zhuǎn)播”的信號在沿他們的光錐一百年后的我們的電視里才能看到，所幸的是世界足聯(lián)不會決定把世界杯比賽放在那樣遙遠的星球舉行。如果那樣的話恐怕會百倍地增加足球流氓產(chǎn)生的數(shù)量，因為即使球迷中脾氣最好的人恐怕也沒有耐心懷著期待的心情在電視屏幕前等待一百年，因此警察的工作將十分繁重。不過幸運中也有遺憾——使所有球迷不會認真思考“同時性”意味著什么，從而錯過了一次重新發(fā)現(xiàn)狹義相對論的機會。

　　當(dāng)然，科學(xué)又不是神秘的，愛因斯坦相對論時-空觀在現(xiàn)代中學(xué)生已經(jīng)不難理解。對科學(xué)的理解也只能從我們經(jīng)驗的常識開始，“天地者萬物之逆旅，光陰者百代之過客”[4]是李白對時間與空間的理解——天地（即空間）是萬物（即物質(zhì)）的客舍旅店（容器）；
時間（即光陰）表現(xiàn)為存在者（即過客）的運動（一代接替一代）。這句詩透露的消息起碼就空間觀而言近似牛頓的絕對時-空觀。李白的直覺是感性的，也是天才的，但也是簡單的，沒有上升到理性；
而牛頓的時-空觀盡管相對于相對論和量子力學(xué)時-空觀是錯誤的，卻是人類時空觀飛躍不可或缺的理性知識的基礎(chǔ)。就一個人的理智發(fā)展乃至一種文明的發(fā)展而言，基于日常經(jīng)驗的常識，即使是相對正確的直覺，若不上升到理性則不能使之深入（或建立）系統(tǒng)的科學(xué)，何況常識并不一定可靠。如在牛頓之前，人們對于陽光的常識是——白色的光，但牛頓的三棱鏡改變了這個常識——陽光不是單純的白光，陽光中包含著三種顏色的光。光的頻率決定了他們的顏色（當(dāng)然現(xiàn)代光譜學(xué)中的太陽光譜更豐富）。然而，基于自己的“常識”，大詩人歌德固執(zhí)地認為牛頓錯了，理由是白光比有色光更純粹[5]。當(dāng)然科學(xué)是不會因為詩人的天才聽命于他的“常識”的，陽光是白光的常識被修正了，陽光由不同頻率的光組成是確切無疑的，而且光譜分析成為現(xiàn)代物理學(xué)打開宇宙生成史大門的鑰匙。

　　科學(xué)的常識也不是恒定的，必須時刻準備繼續(xù)被修正。比如，我們基于牛頓物理學(xué)認為一切物質(zhì)運動速度與它的初始條件有關(guān)，我們在火車上拋出的物體的運動速度由我們手揮動的力決定，再疊加火車的運動速度，所以我們向順著火車運動方向拋物與逆著火車方向拋物，相對地球上的參照物而言兩種速度因疊加了火車運動速度有所不同——順著火車方向的拋物水平速度大于逆著火車方向拋物的水平速度�；�于這種牛頓力學(xué)“常識”我們就理所當(dāng)然地認為，我們坐在火車上手持手電筒順著火車運動方向照耀時，光的運動速度必定大于逆著火車運動方向照耀時光的運動速度。然而這個“常識”是錯誤的，愛因斯坦的相對論告訴我們，光速是恒定的，光的運動速度與光源的運動速度無關(guān)。正是光速不變原理才能使我們能準確計算出遙遠的星系與我們的距離，宇宙正在膨脹，所有的星系都相互離開，相互離開的越遠，離開的速度越快，但它們運動中所發(fā)射的光波并不隨著它們相互遠離的運動速度而變化，而是以恒定的速度傳播著，除非不幸被黑洞吸收。許多遙遠的星系可能已經(jīng)熄滅了，可它們的光才剛剛到達我們這里（地球表面），我們通過這些遙遠星系的光譜就能分析出構(gòu)成這些星系的物質(zhì)是什么，我們因此也就知道宇宙生成的歷史。為什么遙遠的星系代表宇宙的早期歷史呢？回答這個問題首先就涉及到為什么我們總是把時間與空間并列在一起，比如，日本國立天文臺天文學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)離地球約129億光年的星系，這意味著這個星系距離地球129億光年（根據(jù)光每秒三十萬公里的速度我們就能把129億光年換算成我們熟悉的公里，你可以自己用計算器做這個簡單的乘法），這首先是空間概念；
同時也意味著時間概念，距離我們129億光年的星系被我們看到，說明射到地球的光波經(jīng)歷了129億年時間的旅行才到達我們這里，這段光波的年齡是129億年，光波是物質(zhì)的一種能量形式，所以日本天文學(xué)家看到了一百多億年以前的宇宙物質(zhì)，分析這些古老光譜就是分析一百多億年前的宇宙歷史。這意味著宇宙的全部歷史信息并沒有隨著時間而丟失，他們依然存在于宇宙中。

　　那么我們太陽系的歷史是否也保存在宇宙中呢？回答是肯定的。太陽系形成于大約50~46億年以前的星云，若距離我們太陽系50億光年的某個星系上有智慧生命存在，他們“現(xiàn)在”（超距的現(xiàn)在）剛好觀察到太陽的形成。我們的地球不發(fā)光，但由于她反射太陽光，所以地球上所有發(fā)生的歷史信息通過光波的形式現(xiàn)在依然在宇宙中存在并傳播，假如距離我們地球5~4千光年的一系列星球上有像我們?nèi)祟愐粯拥闹腔刍蚋�加智慧的生命存在，他們“現(xiàn)在”（超距的現(xiàn)在）就能通過天文望遠鏡（又假設(shè)他們的望遠鏡有任意高的分辨率）看到埃及人修建金字塔；
大禹正在治水；
蘇美爾人正在勞作；
等等。地球反射的光波記載地球歷史信息存在于宇宙中是毫無疑問的，因此假如有比光速還快的飛船離開地球飛行，上面的攝相機俯視地球（假設(shè)攝相機有任意高的分辨率）飛船上攝相機就能拍攝到時光“倒流”的地球世界史——世界大戰(zhàn)從結(jié)束開始爆發(fā)，子彈從肉體回到槍堂，戰(zhàn)士骷髏從墳?zāi)估锍鰜淼棺叱蓩雰海瑡雰夯氐侥父梗�等等。�?dāng)然這完全是假設(shè)——超光速飛船上的觀察者看到了時間倒流，因為沒有這樣的飛船——他的飛行速度超過光速。以目前人類認識，飛船質(zhì)量不允許它無限趨近光速，因為在它無限趨近光速運動時其質(zhì)量幾乎變得無窮大，有什么樣的動力引擎能使幾乎無窮大質(zhì)量的飛行器繼續(xù)加速呢！而且，如果超過光速，它的質(zhì)量就變成純虛數(shù)，是我們不能解釋的物理量，設(shè)m0低速質(zhì)量（靜態(tài)質(zhì)量），則高速v時的質(zhì)量m=m0 /(1-v2/c2)1/2，(點擊此處閱讀下一頁)

　　v無限趨近光速c時使m趨近無窮大，v超過c時m成為虛數(shù)。就目前人類科學(xué)而言，接近光速和超越光速的飛行器是絕對不可能的。但快速運動（小于光速）的飛行器上的時間肯定比地球上的時間流得慢。慢多少，取決于飛行器的速度，像飛機之類的飛行器盡管已經(jīng)超過音速數(shù)倍但與光速相比速度非常低，一個想依靠飛機上的時間相對于地球上的時間流速慢而延長生命的人，即使終生坐在飛機上周游世界(從西向東飛，使得地球的旋轉(zhuǎn)疊加飛機的速度)，延長的壽命也比一秒還短得多，這顯然不如把飛機票的錢用在健身房來延長生命劃算（根據(jù)法國現(xiàn)代科學(xué)家約翰-皮爾·盧米涅的計算，一個人在一架以1000公里/小時的速度飛行的飛機里坐上60年，與地面上相比賺得的時間是千分之一秒）。但如果將來的飛行器（如宇宙飛船）的飛行速度是光速的十分之一，時間的相對性效應(yīng)將明顯；
假如飛船速度接近光速，飛船上的時間在地球觀察者看來將十分緩慢，這就產(chǎn)生了著名的“孿生子佯謬”[6]：孿生子之一開始乘坐飛船到太空旅游數(shù)年后返回地球，他將發(fā)現(xiàn)他的雙胞胎弟弟比他衰老的多。根據(jù)約翰-皮爾·盧米涅的計算，年齡20歲的孿生子，其中一個以297000公里/秒的恒定速度乘飛船在太空旅游，當(dāng)他返回地球，地球上的同胞兄弟已經(jīng)60歲，而他只有26歲。歲數(shù)的測量是以各自（地球上的和飛船上的）的鐘表為依據(jù)的。這個佯謬的意義是非常鮮明地比喻了時間的相對性，其實并不需要孿生子之一去旅游，只要飛船上放一個帶日歷的電子表就行了，飛船日歷與地球日歷各自按自己的速度計時，按上述計算二鐘表必然相差：60-26=34年。至于未來人類是否能使這樣的情況成為可能——某人為了使自己能夠看到他在地球一般壽命不允許看到的未來（當(dāng)然是指地球上未來所發(fā)生的情形），除了把自己冰凍起來等待復(fù)活而外，就是乘坐這樣的高速（與光速可比）飛船旅行——取決于未來人類所制造的飛行器能否達到與光速可比的飛行速度，而且飛行者必須為了將來回到地球的驚喜忍受飛船上生活的寂寞，并且還有許多技術(shù)問題——如飛船里如何增強體質(zhì)和肌體免疫力以及飛船上如何儲藏他半生所需的食品，最難克服的問題是——什么樣的多級火箭才能獲得哪怕是十分之一光速（每秒三萬公里）的高速度（在飛船加速的過程中必須保證超重狀態(tài)使人的心臟能夠承受）。——想到人類的科學(xué)的級數(shù)級增長，對這些“一步登天”問題，我們大概不能完全排除未來人對這些困難克服的可能性。

　　愛因斯坦的相對論告訴我們時間的相對性，宇宙中沒有絕對的時間，我們地球人往往把地球上的時間看作是絕對的時間，這是由于我們的“洞穴假象”。不同運動的物體各有自己的時間，如不同速度運動的飛船都有自己的時間流速，時間流速的快慢取決于飛船的速度，一個人從一個速度的飛船改乘另一個速度的飛船不會感覺到時間流速的變化，他的手表的秒針在他的眼睛和耳朵的神經(jīng)細胞傳遞到大腦的信號——秒針移動和滴答聲在他乘坐不同的飛船時的感覺永遠是一樣的。在高速飛船上你的身體變小了，但所有的東西——包括你的尺子也發(fā)生同樣的變化，所以你即不會感到時間變慢，也不會感到身子變小、質(zhì)量增大，組成你的身體細胞的每一個原子都發(fā)生了變化，你的神經(jīng)細胞當(dāng)然也發(fā)生了變化，當(dāng)所有物質(zhì)形態(tài)都同樣變化時，你的感覺就沒有任何變化了[7]。只有不同速度的飛船到達地球（或火星，或隨便哪個能給你補養(yǎng)的星球）后才會發(fā)現(xiàn)不同飛船上人的手表的時間（以及根據(jù)手表時間撕的日歷）發(fā)生了很大的差異，差異的多少與不同飛船的運動速度有關(guān)。

　　那么時間能否倒流呢？ ——這是一個嚴肅的科學(xué)問題。就我們目前的宇宙說，時間以非常大的幾率不可能倒流，因為熵定律（即熱力學(xué)第二定律）決定了時間箭頭的方向指向未來，在封閉系統(tǒng)（宇宙中所有的系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)，但整個宇宙可以看作一個封閉系統(tǒng)，星系如宇宙中的銀河系也可看作相對封閉的系統(tǒng)）總是從有序變得無序即熵值趨向最大化而不是相反，一個遠離平衡態(tài)的開放子系統(tǒng)（如生物體）的自身有序度增加是因為他吸收了外界能量，他吸收的效率也不可能是百分之百，這樣總的系統(tǒng)（如太陽系）依然呈現(xiàn)熵值增大，而不是相反�？蔀槭裁凑f時間的倒流的不可能性是“很大的幾率”而不說“時間絕對不可能倒流”呢？難道還有很小的幾率發(fā)生時間倒流的情況嗎？自然哲學(xué)家石里克根據(jù)玻爾茲曼的研究認為，時間流向取決于熵定律，而熵定律是可幾的有效性，倒流并非絕對不可能[8]。考慮到宇宙的廣大的空間和漫長的時間，熵減是可能的，物理學(xué)定律包括熵定律都是幾率性的定律，只是熵定律在目前的宇宙顯得幾率大到幾乎完全決定論的程度。那么假如在未來宇宙的某一時刻發(fā)生反熵定律（即發(fā)生熵減），時間忽然開始倒流，是否意味著世界歷史反方向重演一次，而我們越活越年輕——直到回到母腹中？問題是，在一個反熵的宇宙中是否還有像我們（人類）意義上的智慧生命？任何一個地球上說“我”的人都是在一個遵守熵定律的宇宙里進化而來的，或者說人這種生物是遵守熵定律的宇宙的產(chǎn)物。因為我們不能想象熵定律被違反的宇宙是否能進化出像“我”之類的生命東西，當(dāng)然就更無法想象“我”在時間倒流的宇宙里生活的體驗。石里克認為，“過去”和“將來”，只是因為我們記憶和體驗的過程，如果一切都方向相反，時間依然是單向的。也就是說，在熵減的宇宙中，假如還有生命的話，他們將不理解在一個熵增的世界里將發(fā)生什么，就像我們不理解他們一樣。我們體驗到的因果性與時間的單向性是一個問題的兩種表達，因果性使我們體會時間，我們用時間表達因果序列。

　　可是即使在我們現(xiàn)在的宇宙，在微觀的量子世界，時-空結(jié)構(gòu)與宏觀世界相比有很大的不同，宏觀世界的嚴格因果序列在微觀世界被一定程度地違反了。因果性使我們體驗到時間的方向性，即時間一去不復(fù)返的感覺。杯子落在地上，然后碎了，水撒了一地。這個過程不能反方向發(fā)生。一個人上午八點乘車出發(fā)只能在上午八點以后返回，他不能在上午八點或八點以前返回。世界中的事件的因果性系列似乎是天經(jīng)地義的。如果某人告訴你說：一個人在地點A（如紐約），你就肯定地判斷這個人肯定不在地點B（如北京）；
如果某人告訴你一個人同時存在于紐約和北京，你一定判斷他在說謊�？墒侨绻�“一個人”換成“量子”，地點A、地點B換成兩個空間中相鄰的質(zhì)點，那么他（比如物理學(xué)家薛定諤）如果告訴你，在某時刻量子可能同時在A點或B點，那么薛定諤沒有說謊。量子究竟在A點還是B點呢？薛定諤說，兩點都可能，但絕對不可能的是：在某時刻量子一定在A點、不在B點；
或一定在B點、不在A點。薛定諤方程只能計算出量子在某點出現(xiàn)的幾率。如果你能嚴格確定量子在某點的狀態(tài)意味著你知道它在此點的速度和動量，但是，事實上，你越想把量子在某一時刻的位置測量的準確，那么意味著量子的速度越不準確；
反之你越想把速度測的準確，那么它的位置就越不準確——這就是量子力學(xué)中的測不準原理[9]。量子并不是我們設(shè)想的非常小的小球，我們不能把它比附成宏觀物體的運動，它的波動和粒子性是雙重的，即量子所具有波粒二相性。我們不能建立能夠直觀理解的量子運動的模型，我們不能要求量子必須符合我們對宏觀物體的經(jīng)驗——某物在某時在某地要么存在要么不存在二者必居其一。愛因斯坦正是因為這種來自宏觀世界的確信而不滿意測不準原理，在愛因斯坦看來，世界事件的因果序列是不能違反的，量子應(yīng)該測得準，他與以尼爾斯·玻爾為首的哥本哈根學(xué)派物理學(xué)家進行了廣泛的爭論，他認為測不準是理論本身不完善，這似乎也是當(dāng)時一般相對論科學(xué)家的想法。這想法建立在無論多么小的空間都有明確的幾何學(xué)，以及時間可以被分割成無限小的區(qū)間基礎(chǔ)上的。而實際上，在與量子的大小可比的空間范圍內(nèi)，沒有明確的幾何學(xué)。空間不是無限可分的，時間也不是無限可分的，或者說，正像能量輻射不是連續(xù)的而是量子化的，時-空的微觀結(jié)構(gòu)也不是連續(xù)的。愛因斯坦與玻爾等人的爭論結(jié)果現(xiàn)在已經(jīng)明朗了，“測不準”并非是我們?nèi)祟惖闹橇Σ煌晟疲�“測不準”是微觀量子運動的本真現(xiàn)象�！�—也最終得到了晚年愛因斯坦的認可，“海森堡已令人信服地表明，從經(jīng)驗觀點看，任何可以作為自然的嚴格決定論性結(jié)構(gòu)的結(jié)論已被明確排除掉了，因為我們的實驗儀器的原子性的結(jié)構(gòu)的緣故。因而，任何未來的知識也不可能迫使我們放棄現(xiàn)在的統(tǒng)計理論基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)而支持直接處理物理實在的決定論性理論” [10]。愛因斯坦的這段話表明，量子力學(xué)使嚴格決定論破滅了，嚴格決定論的破滅意味著什么呢？意味著在微觀量子世界中沒有嚴格的因果性關(guān)系，而沒有嚴格因果性關(guān)系的世界意味著——時間表現(xiàn)出混沌性。

　　為了使我們對于人類時間-空間觀的歷史性演進有更明確的了解，下面盡可能形象地簡略敘述從經(jīng)典物理學(xué)的時空觀到現(xiàn)代物理學(xué)的時空觀的變化的過程。

　　（二）

　　一、牛頓的絕對時-空觀

　　牛頓的時間、空間觀代表了人類在牛頓誕生以前的時、空觀，在牛頓的機械世界里，空間、時間、物體是彼此分離，毫不相干的。牛頓的質(zhì)量m是絕對的剛體，剛體內(nèi)部沒有結(jié)構(gòu)，而是完全同一的，它與本身運動的速度無關(guān)，它獨立于時間、空間存在。在人類對原子結(jié)構(gòu)不了解的時代（古希臘的原子概念，只是一種世界由最基本微粒而構(gòu)成的玄想，至于原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論是近代物理學(xué)才有的），牛頓的理想剛體接近實在因而是較理想的選擇，在低速運動的物體這種理想剛體也近似正確。其實世界上沒有不受自身運動而變化的剛體，只是低速運動對物體的運動對它本身結(jié)構(gòu)改變十分微小罷了，當(dāng)物體運動與構(gòu)成物體的原子中電子運動速度可比時，運動對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變將十分明顯。比方說，對于我們?nèi)祟惾庋鄣挠^察，說光線直線傳播是基本正確的，但對于與光子大小可比的精靈的眼睛來看，她將看到光波運動的波峰和波谷，說光直線傳播就失去了意義；
對大尺度空間來說，光的直線傳播也失去了意義�？茖W(xué)家也曾試圖用牛頓力學(xué)繼續(xù)解釋光的運動和電子圍繞原子核的運動，但都以失敗告終。正是基于牛頓力學(xué)在解釋大尺度空間運動和微觀運動的失敗，才有相對論和量子力學(xué)的誕生。牛頓的剛體小球的理想質(zhì)量m獨立于時、空而存在是假設(shè)了絕對空無的空間的存在，并且時間不對剛體質(zhì)量的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生任何影響，即時間不在剛體內(nèi)部流過，剛體在時空中的運動完全是機械決定論的。牛頓時代的大部分物理學(xué)家為牛頓完美的決定論方程所傾倒，他們甚至認為物理學(xué)差不多已經(jīng)到了頂點，余下的只不過是一些簡單的修補工作。由于牛頓自己的宗教信仰，他對自己的發(fā)現(xiàn)也并不完全滿意，而且他說過機械運動的力學(xué)基礎(chǔ)絕對不是機械的。然而，牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》并沒有超出機械決定論的任何信息，萊布尼茨對牛頓學(xué)派的攻擊也沒有動搖牛頓力學(xué)的贊同者的信心，因為牛頓力學(xué)把小到蘋果落地的運動，大到行星運動用一個方程來表達，的確令人驚嘆。對牛頓力學(xué)的顛覆要等到愛因斯坦的誕生才成為可能。牛頓力學(xué)的空間、時間與物體分離的時、空觀可以通過下面以兩個比喻來說明。

　　A. 牛頓的時間：通過《睡美人》的城堡理解牛頓的時間——與空間分離的時間

　　在格林童話《睡美人》的城堡里，由于受了魔法的詛咒，公主和城堡里所有的人、物都進入了睡眠。

　　百年后，公主和所有的人、物又都蘇醒了。對于城堡外面的世界時間流過了一百年，但對于城堡內(nèi)部，時間在這一百年是靜止的，或者說時間消失了。公主醒來后依然與百年前一樣年輕，其他人也都繼續(xù)他們過去的歲數(shù)。

　　這里包含了古典的時間觀，是牛頓的時間觀。按照這種時空觀，假如時間在某個時刻停止，那么一切存在物依然存在，空間當(dāng)然也存在，只是一切都靜止下來，如《睡美人》的城堡所描述的，劈柴人舉著手斧停止在半空，飛鳥懸在天上，河水停止了流動，一切都靜止在時間停止（消失）的時刻。這是牛頓的時間觀，時間與空間和空間里的存在物是完全分離的，時間的消失不會影響其他二者的存在。

　　B．牛頓的空間：通過湖泊與湖泊里魚的比喻說明牛頓的空間——與空間中的存在物分離的空間

　　在湖泊中，水代表空間，湖泊里的魚代表物體（所有宇宙中的星辰包括地球上萬物）。在牛頓的時空觀看來，空間與物質(zhì)的關(guān)系就像湖水與魚的關(guān)系一樣，即使湖泊里的魚都被漁夫打光了，水依然存在。也就是說，在牛頓力學(xué)體系中，即使物體消失了，空間依然存在�！�—牛頓的空間的就是這樣的空間，空間好比是容器，而物體好比是容器里的東西，物體的消失不會影響空間的存在。

　　牛頓的時空觀是無限的和絕對的時空觀。為什么說它是無限的和絕對的呢？(點擊此處閱讀下一頁)

　　所謂無限的時間就是說，時間沒有開始，也沒有結(jié)束；
所謂無限的空間就是說，空間無限地廣延，沒有起點也沒有終點。所謂絕對時間，就是時間不依賴于任何存在物而獨立地存在；
所謂絕對的空間，就是空間可以是絕對地空，沒有任何存在物的虛空，就是說空間可以不依賴于存在物而獨立地存在。

　　而牛頓的萬有引力方程表明：萬有引力似乎在空間中是以無限的速度傳遞的，任何相距遙遠的兩個物體都不需要任何時間就能傳遞萬有引力；
萬有引力的傳遞不需要任何介質(zhì)。牛頓的萬有引力概念是建立在他的時空觀基礎(chǔ)上的，他的時空觀是通過牛頓力學(xué)系統(tǒng)反映出來的。

　　2、牛頓的時空觀受到了萊布尼茨的挑戰(zhàn)

　　1715年至1716年萊布尼茨（G. W. Leibniz，1646-1716）與牛頓學(xué)派代表人物克拉克（Samuel Clarke，1675-1729）之間展開一場影響深遠的論戰(zhàn)。

　　針對牛頓的時空觀，萊布尼茨作了如下反駁：

　　A．有損于上帝的尊嚴。如果把時間、空間當(dāng)作絕對的實在，那么就意味著時間、空間可以不依賴于上帝而存在，甚至作為創(chuàng)造一切存在者的上帝也要存在于時間、空間中。而奧古斯丁早就說過上帝誕生前沒有時間和空間。

　　B．違反“充足理由律”。在絕對的空間中，組成空間的任何部分都是無差別的，完全同一的，在這種空間中不存在此點和彼點的位置的分別，這就無法說明，存在物在某一個位置而不在另一個位置。

　　C．與自然現(xiàn)象背離。宇宙中無法找到牛頓那樣理想的絕對空的空間，宇宙中充滿著精細的物質(zhì)，即使在托利拆利氏管（真空管）中盡管排除了空氣等物質(zhì)，但光仍然進入管內(nèi)。

　　克拉克對萊布尼茨的論點逐一進行了反駁，他認為：1、牛頓的數(shù)學(xué)原理并沒有否定上帝的存在，牛頓所說時間、空間是上帝的感覺器官僅僅是比喻。2、空間和時間都是實在的量，而位置和秩序則不是。3、絕對空的空間不是想象的而是實在的，在抽空了的容器中，雖然光線和其他物質(zhì)極少量地存在，但因缺乏抵抗力表明那一空間的最大部分是空無物質(zhì)的。

　　就當(dāng)時的旁觀者來看，二人沒有分出勝負。以今天的眼光說，當(dāng)然是萊布尼茨的觀點具有超前性，而克拉克的回擊多半是字面上的。萊布尼茨認為空間是物質(zhì)并存的秩序，而時間是物質(zhì)持續(xù)的秩序；
沒有脫離開物質(zhì)存在而獨立存在的時間和空間；
而牛頓學(xué)派的克拉克竟然認為存在絕對空無的空間顯然是錯誤的。

　　萊布尼茨甚至對于萬有引力定律（近乎完美的方程）進行了天才的批評，他說：“假使上帝想使一個自由物體環(huán)繞著某一固定的中心自己在空中轉(zhuǎn)圈子，而沒有某種其他被創(chuàng)造物作用于它，我說這只有由于奇跡才可能，是用物體的自然本性所不能解釋的。因為一個自由物體照自然的方式是要依據(jù)切線方向脫離開那曲線的。就因為如此，我主張真正作為物體的引力乃是奇跡性的東西，是不能用他們的自然本性來解釋的。[11]”但萊布尼茨的批評似乎過頭了，因為某種意義上他的反駁超出了物理學(xué)的范圍。引力的存在（后來是愛因斯坦決定時-空曲率代替引力場，但時空曲率何以存在并不與引力場何以存在更少神奇）的確是宇宙中的奇跡，我們至今只知道引力存在，卻不能解釋它何以存在，即存在的原因。太陽系從混沌走向秩序使行星繞太陽旋轉(zhuǎn)的奇跡其實遠不如地球產(chǎn)生智慧生命的奇跡更神奇，比起人這架完美的“機器”，太陽系甚至不如鐘表匠制造的鐘表復(fù)雜。宇宙中的復(fù)雜事件——原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)秩序、星系結(jié)構(gòu)的秩序、生命結(jié)構(gòu)的秩序還不能完全還原成四種作用力——引力、電磁力以及弱核力、強核力等物理學(xué)解釋，但宇宙中一切復(fù)雜關(guān)系肯定奠基于這些作用力，或者說上帝的意志是由這些作用力來完成的。

　　當(dāng)時的旁觀者或許可以對萊布尼茨問：牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》的時間和空間是用數(shù)學(xué)方程表征出來的，而你的時空觀還停留在玄思階段，你能用數(shù)學(xué)方程表達那種與存在物不能脫離的時空一體的時空觀嗎？萊布尼茨不能回答了，因為他在1716年去世了，他與克拉克的爭論因他突然去世而中斷了。用數(shù)學(xué)方程表達的萊布尼茨時空是兩百年后由愛因斯坦的廣義相對論完成的（當(dāng)然比萊布尼茨更完善）。

　　3、愛因斯坦的相對論時-空

　　愛因斯坦超越牛頓時空觀的理論是因為阿爾伯特·麥克爾遜與愛得華·莫雷在1887年的著名的實驗。按照當(dāng)時人們對于光的理解，光是靠一種被稱為以太的彈性物質(zhì)而傳遞的，就像聲波是靠空氣的震動傳遞一樣，根據(jù)這種解釋，對于不同的觀察者光速是不同的，順著光傳播方向運動的觀察者將發(fā)現(xiàn)光速變慢，而逆著光傳播方向運動的觀察者將發(fā)現(xiàn)光速變快。但阿爾伯特·麥克爾遜與愛得華·莫雷的實驗不支持這種解釋，實驗表明，不管在哪個方向上多么快速地運動，光都以相同的速率運動。在理論與實驗之間的辯論中，實驗應(yīng)該總是勝利者，假如實驗沒有差錯的話。問題出在哪里呢？換句話說，如何解釋才能與阿爾伯特·麥克爾遜與愛得華·莫雷的實驗協(xié)調(diào)呢？

　　愛因斯坦在1905年的論文提出了自己的解釋——一種嶄新的理論：1、物理學(xué)定律在任何慣性系中都是相同的；
2、光速與觀察者所在的慣性系無關(guān)，光速不變。這個理論與阿爾伯特·麥克爾遜與愛得華·莫雷的實驗完全協(xié)調(diào)，拋棄了以太作介質(zhì)傳遞光波的陳舊的理論，這就是愛因斯坦的狹義相對論。根據(jù)狹義相對論就必然動搖絕對時間的觀念。

　　我們看來自于史蒂芬·史蒂芬·霍金教授的例子[12]：假如有一個航天飛機以五分之四光速掠過地球，航天飛機里的物理學(xué)家做實驗，他把一束光脈沖從座艙的一端發(fā)射到另一端并反射回來。碰巧座艙是透明的，他的實驗被地球上的觀察者也看到了。因為航天飛機是運動的，所以航天飛機里的物理學(xué)家和地球上的觀察者對于光脈沖在兩端旅行的距離上意見不同。根據(jù)狹義相對論光速不變原理，光花費在旅途中的時間在兩個觀察者也不同，不同觀察者具有不同的時間。說明什么呢？說明沒有絕對的時間，所有的時間都是相對的。而且光使時-空聯(lián)姻，時間、空間不是分離的，時間、空間都是相對的。根據(jù)狹義相對論還有另外三個推論：運動物體在其運動方向上的長度比靜止時縮短；
運動物體的質(zhì)量將隨著運動速度增加而變大——物體質(zhì)量的相對性；
物體質(zhì)量與能量的轉(zhuǎn)換滿足嚴格的數(shù)學(xué)等量關(guān)系。與牛頓力學(xué)相比，狹義相對論在我們面前呈現(xiàn)出一個全新的世界。

　　狹義相對論說明時間、空間、物體質(zhì)量都不是絕對的，而是相對的，而且三者是聯(lián)系在一起的。牛頓的時空觀假設(shè)了宇宙中有無限快速的精靈傳遞信號，宇宙被一個平面完全切割，平面下是絕對的過去，平面上是絕對的未來（見圖1）。由于宇宙中沒有這種無限快速傳遞信號的精靈，最快傳遞信號的載體是光（或電磁波），而光和電磁波的傳輸速度是有限的，所以，過去和未來，就由觀察者的光錐來劃分（見圖2，是明可夫斯基根據(jù)狹義相對論所作的時-空連續(xù)體）。在我們地球上，由于光速遠大于地球周長，光速近似那個仿佛不花費時間傳遞信息的精靈，地球兩面的人似乎具有同一個把過去和未來截然分割開來的平面。但對于遠遠超過三十萬公里的距離來說，如相互距離10萬光年的銀河系里邊緣上的兩個星球（A、B）上，各自有各自的時-空連續(xù)體光錐，根本沒有那種把兩個星球的過去和未來完全分割開來的平面。比如說，星球A上的人張先生（假設(shè)該星球有高級生命人）若給銀河系另一個星球打電話（手機），一句“早上好，現(xiàn)在幾點了？”需要電磁波沿著星球A的光錐表面旅行10萬年時間后，另一星球B上的人李先生才能聽到，例如李先生回答說：“現(xiàn)在晚上10點”，電磁波又沿著星球B的時-空連續(xù)體光錐表面旅行，經(jīng)過10萬年才到達星球A，假設(shè)張先生的手機沒有損壞，那么，接電話的人肯定不是張先生了，因為此時張先生已經(jīng)在他所在的星球A去世了整好20萬年。星球A與星球B上的人所說的“現(xiàn)在”只對他們各自的時-空連續(xù)體光錐有意義，星球A張先生的“現(xiàn)在幾點”的“現(xiàn)在”和星球B上李先生的“現(xiàn)在晚上10點”的“現(xiàn)在”根本不是一個“現(xiàn)在”。宇宙中根本沒有牛頓那樣的同一個“現(xiàn)在”，當(dāng)然也沒有被同一個“現(xiàn)在”平面所分割的“過去”和“未來”。

　　如果說狹義相對論是根據(jù)實驗觀察而獲得的必然性結(jié)論，但廣義相對論則來自于愛因斯坦天才的思辨理性，愛因斯坦因此改變了人們對于時空性質(zhì)的看法。他是如何完成這一革命性理論的呢？

　　狹義相對論的光速不變原理在解釋阿爾伯特·麥克爾遜與愛得華·莫雷的實驗獲得成功，但是與牛頓的引力論不相容。在牛頓的引力論中，引力的傳播速度是無限的，就是說某個星體的位置變化所造成的引力變化立即傳播到宇宙的任何一個角落。引力的傳播顯然超越光速，這意味著同時性可以是絕對的，這與狹義相對論的時間相對性是相背離的。愛因斯坦意識到牛頓力學(xué)存在根本性的缺陷。

　　愛因斯坦解決狹義相對論與牛頓引力論的不協(xié)調(diào)是從物體運動的等效性開始的。在升降機里的乘客不能區(qū)別這樣兩種情況：第一種，在地球引力作用下；
第二種，在沒有引力作用的太空中，但受到與引力方向相反、大小相等的推力。即二者具有等效性。同樣，蘋果落地，即蘋果向地球運動情況，與蘋果不動而是地球向蘋果加速運動情況等效。愛因斯坦的靈感來自于等效的方向性，如果大地是一塊平面，沒有方向性問題�？墒堑厍蚴菆A形的，在地球相對的兩面兩個蘋果落地，地球必須被相反方向的力加速才能使二者獲得等效性，而這顯然是矛盾的。這使愛因斯坦意識到時空幾何可能是彎曲的，如果是彎曲的時空則矛盾將解決。這種時空彎曲的幾何是黎曼的理論，可是黎曼大概從未沒有想過自己的幾何學(xué)和現(xiàn)實世界有什么關(guān)系，愛因斯坦使黎曼幾何與宇宙時空發(fā)生了聯(lián)系，1915年愛因斯坦找到了描述這種彎曲時空的廣義相對論方程。

　　愛因斯坦的廣義相對論不是把牛頓的引力取消了，而是認為物質(zhì)的分布狀況使四維時空變的不均勻而產(chǎn)生了引力場，當(dāng)然也可以說是引力場使時空變的彎曲。愛因斯坦通過引力場與彎曲的時空相聯(lián)系的廣義相對論方程表明了物質(zhì)與四維時空的聯(lián)系。那么，沒有引力場作用的時空是否就平坦了呢？回答是沒有引力場就意味著沒有物質(zhì)，沒有物質(zhì)也就沒有了時空，沒有時空又何談時空的平坦不平坦呢。不過相對來說在物質(zhì)分布稀疏的空間比物質(zhì)分布較稠密的空間時空彎曲的程度要小一些。比如在物質(zhì)分布特別稠密的地方如黑洞的視界內(nèi)部（黑洞濃縮成了質(zhì)點）和周圍，時空已經(jīng)彎曲成幾乎是閉合環(huán)了，在黑洞視界內(nèi)部鐘表似乎停止了擺動（當(dāng)然鐘表是不可能在黑洞里面“生存”的，任何物質(zhì)不幸落到黑洞視界內(nèi)都將被擠壓成無限稠密的質(zhì)點形態(tài)）。當(dāng)然，史蒂芬·霍金教授認為黑洞不是全“黑”的，它向外界輻射能量，可見變化依然存在，因此時間存在，只是時間的“流速”十分地緩慢，黑洞的命運是慢慢地通過輻射徹底蒸發(fā)掉（那是太漫長的時間）。

　　根據(jù)廣義相對論方程，史蒂芬·霍金與羅杰·彭羅斯發(fā)現(xiàn)了廣義相對論方程的一個解，膨脹宇宙在當(dāng)初必然非常緊密，即宇宙存在一個時-空奇點。宇宙時-空不再是無限的了，盡管我們現(xiàn)在還不完全知道宇宙以何種方式終結(jié)（霍金認為宇宙在膨脹到最大后將收縮，最終將終結(jié)于大擠壓而收縮到質(zhì)點；
也有論者認為宇宙將終結(jié)于熵值最大化的熱寂狀態(tài)），但我們已經(jīng)知道宇宙肯定有一個開始，即宇宙奇點，在宇宙大爆炸開始后時間-空間才隨即產(chǎn)生，也就是說在大爆炸“前”不存在時間和空間，上帝手表絕對地靜止不動，那里時間是靜止的，或者說時間不存在，空間當(dāng)然也不存在，物質(zhì)也不存在�！�—但神奇的“無”何以生“有”，我們只能把原因歸結(jié)到上帝，是上帝的第一推動使從絕對的無（正/反粒子絕對中和的狀態(tài)，泡利不相容原理無效）大爆炸為有。——這種解釋顯然還不完善。

　　愛因斯坦的狹義相對論沒有引力場存在，時-空是理想的平坦時空；
而廣義相對論把時間、空間、引力結(jié)合在一個方程內(nèi)，時空因引力場的變化不再是平坦的，而是時而鼓脹時而凹陷（想象一下丘陵和盆地），時-空是彎曲的，廣義相對論比狹義相對論更真實地描述的宇宙時-空�？臻g的彎曲已經(jīng)在1919年被愛丁頓領(lǐng)導(dǎo)的觀測小組通過引力場折彎光線所證實，時-空的彎曲當(dāng)然不是單指空間的彎曲，而是時間也是彎曲的。在狹義相對論中我們知道物體的運動速度決定了它本身時間流速的快慢；
在廣義相對論中引力照樣能改變時間的流速。時間因引力場的變化而彎曲表現(xiàn)在引力場對時鐘的影響，引力越強，時間流速越慢。由于地球引力不是特別大（相對于大的恒星而言），時間流速在不同高度生活的人的不同不會明顯表現(xiàn)出來，(點擊此處閱讀下一頁)

　　例如看不出住高層樓的人比住一層樓的人老的快。但如果有精靈住在黑洞表面的高樓上居住，一樓的精靈將比高層樓的精靈保持更長的青春。

　　為了形象說明時-空彎曲，科學(xué)家“時間機器”來表征某種存在物甚至可以旅行到過去。那么這是否意味著一個孩子在出生前就能殺死他的祖父（這是有名的“祖父悖論”）呢？當(dāng)然不可能，那么“時間機器”豈不是荒誕不經(jīng)嗎！非也。實際上“時間機器”的設(shè)想是建立在廣義相對論和量子力學(xué)基礎(chǔ)上的，因此非但不荒誕而且是恰當(dāng)?shù)卣f明了時-空彎曲理論所導(dǎo)致的必然結(jié)果。只是對于生物人這樣大的高分子有機體試圖通過時間機器旅行到過去或旅行到將來顯得荒誕，這是因為：第一，我們?nèi)祟悅�體不可能像光子那樣快地運動，更不能超光速運動，所以根據(jù)狹義相對論要想讓時光在自己身上流的慢些成本太高（乘高速飛船）而收獲太小；
第二，根據(jù)廣義相對論，在引力巨大的地方時間流速十分緩慢，只有在黑洞邊緣才有這樣大的時間曲率，而我們的精神不能脫離肉體而存在，所以不能像想象中的精靈那樣生活在連原子都無法生存的黑洞邊緣以便使青春永駐。人類是在時空曲率相對小的地球上進化來的，不適合曲率大的地方生存，或者以人擇原理而論，在曲率過大的時空中不能進化出人類這樣的生命。根據(jù)費因曼的歷史求和理論，粒子在時間中有往回走的歷史，然而遺憾的是粒子并不知道它可以提前殺死它的祖父。如果某個科普作家寫了一篇描述粒子精靈的科學(xué)幻想小說，你應(yīng)該意識到這粒子精靈旅行到過去不是幻想，只有粒子精靈說話、思維的能力才識幻想，當(dāng)你區(qū)分了科學(xué)和幻想的差別，你就不會把把粒子精靈置換成你自己（生物人）了，你也就能夠領(lǐng)略科普作家把抽象的物理方程所表明的道理轉(zhuǎn)化成你感興趣的故事情節(jié)的初衷了。

　　4、量子力學(xué)的微觀時-空

　　愛因斯坦用引力場和彎曲的時空取代了牛頓不需花時間傳遞的萬有引力，物理學(xué)實現(xiàn)了一次空前的綜合，可以說宏觀的時空趨向于完善。愛因斯坦還想進行更高的綜合，把電磁場和引力場綜合成更普遍的理論——建立統(tǒng)一場論，但這個設(shè)想沒有成功。與此同時，丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾在解釋氫原子的原子結(jié)構(gòu)——電子在不同的軌道圍繞原子核運動獲得成功后，在解釋更復(fù)雜的原子內(nèi)部電子的運動時遇到了無法克服的困難。正像科學(xué)史家W·C·丹皮爾比喻說，通過一個鐘表的指針的運動我們可以設(shè)想一套齒輪，也可以設(shè)想另一套齒輪，至于哪個設(shè)想更好，我們只能說看哪套設(shè)想與指針運動更好地符合。在較復(fù)雜的原子，薛定諤方程能求得頻率的正確數(shù)目以解釋其光譜現(xiàn)象，說明量子力學(xué)比玻爾原子理論完備�，F(xiàn)在看來玻爾的失敗在于他的原子模型過多地利用了經(jīng)典理論，他將原子核和圍繞原子核轉(zhuǎn)動的電子看成了一個微縮的小太陽系，玻爾當(dāng)時還不可能認識到微觀世界的時-空結(jié)構(gòu)與宏觀世界是完全不同的。海森堡、玻恩、約爾丹、狄拉克、德布羅意和薛定諤等人的研究表明，物質(zhì)微粒的運動不是牛頓的剛體的運動，而是一定意義的波動。但量子的波動又不同于我們宏觀世界依靠介質(zhì)傳遞的聲波、水波之類，而是德布羅意所謂的物質(zhì)波。對于物質(zhì)波，我們不能用形象描述，我們也無法對它的運動直觀，量子運動已經(jīng)達到了我們感覺的極限，如果我們試圖看到量子的運動狀態(tài)，我們必須用光照射它們，而光照射就干擾了它們的運動，因為用來照射的光本身就是物質(zhì)波�？茖W(xué)家盡管盡可能地不使自己的觀察手段影響被觀察的對象，然科學(xué)家所建立的理論不可能不與他們觀察的方式無關(guān)。當(dāng)輻射被當(dāng)作能量流時，起初以為能量流可以被任意地分割，就像水管噴出的水流可以任意地分成部分一樣，但普朗克的研究表明，能量流不是可以任意分割的，輻射不是連續(xù)的，而是以一定的單位（以普朗克恒量）一份一份地進行，就像水流分到水分子不能再進行物理分割一樣，這使我們回憶起牛頓的剛體小球。能量的這種量子化又在另一種觀察中嚴格區(qū)別于剛體小球，德布羅意的理論表明，電子的運動伴隨著一系列的波動，他的理論被喬治·湯姆生所證實，喬治·湯姆生以一束電子通過極薄的金屬片，產(chǎn)生了波所特有的衍射條紋，電子的波動性是毫無疑問的。只是電子的波長很短，是可見光波長的百萬分之一[13]。電子的波動性被實驗所證實使我們產(chǎn)生了用波動看待宏觀世界的視角，牛頓的剛體在高速運動中也必然存在一定的波動，我們甚至可以說像月球這樣大的天體也存在一定的波動，只是其波長趨近于無限小罷了。

　　量子力學(xué)的測不準原理使我們進一步理解了時間-空間與物質(zhì)運動的不可分。愛因斯坦相對論彎曲的時空賦予時-空以結(jié)構(gòu)，引力場作為時-空的性質(zhì)被表征。如果說因電磁場變化產(chǎn)生的電磁波是物質(zhì)波，所以變化的電磁場當(dāng)然是物質(zhì)的形式，那么引起時空結(jié)構(gòu)不均勻的引力場是否也是物質(zhì)形式呢？起碼賦予引力場物質(zhì)形式的所謂引力子還沒有像我們熟悉的基本粒子那樣被測量到，況且具有質(zhì)量的空間以太概念早就被愛因斯坦的理論揚棄了�；艚鹫J為，引力場表征了負能量，因為要拉開兩個相距很近的物體要克服引力場而消耗能量，根據(jù)質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程，兩個相距遙遠的物體（如星體）比他們接近時有更多的質(zhì)量，多出來的質(zhì)量正好等于引力場增多的負能量。引力場不同于電磁場，二者的物質(zhì)形式似存在本質(zhì)的區(qū)別，而引力波像電磁波一樣以光速傳播說明二者也不是沒有共性�？梢钥隙ǖ氖�，電磁場和引力場充斥著整個宇宙，所以宇宙不存在絕對空的空間。把相對論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來的量子引力論還有待完善，但把相對論和量子力學(xué)相結(jié)合已成為現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的突破點。如果有人說宇宙中存在絕對空無的質(zhì)點，這就意味著他能準確地知道這個質(zhì)點在宇宙中的準確位置，在這個質(zhì)點上動量為零，但這將與測不準原理相沖突。所以宇宙中不存在任何一個這樣的質(zhì)點——其位置測得準并且動量為零。只有在絕對空的地方時間才是絕對停止流動的，既然宇宙沒有絕對空的空間，當(dāng)然也就沒有時間停止流動（即不存在時間）的地方（宇宙大爆炸開始的奇點除外）。宇宙不存在絕對空無的真空，時空都是物質(zhì)的時空——場（引力場、電磁場等）的時空，或者說所謂“真空”只不過是物質(zhì)的一種形態(tài)。如果說克拉克反駁在萊布尼茨說——充滿宇宙物質(zhì)的精細物質(zhì)微粒間依然存在一些細小的絕對空的空隙，那么量子力學(xué)則表明，宇宙中絕對不存在這樣的空隙。

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　　我們現(xiàn)在總結(jié)回答上面論述的可能產(chǎn)生的疑問：

　　問題（一）：可是牛頓并沒有錯啊，我們?nèi)匀挥门ｎD力學(xué)計算物體運動，如人造衛(wèi)星軌道計算運用牛頓力學(xué)非常準確。怎么能說他的時空觀錯誤呢？

　　“錯誤”和“正確”永遠是相對性的，只能說愛因斯坦的時空觀比牛頓的時空觀更具有普遍性。舉例來說，把大地看成平面和把大地看成弧面，前者當(dāng)然是錯誤的，而后者是正確的。但我們具體設(shè)計房屋還是把大地當(dāng)平面看，這種把大地作平面看的“錯誤”與我們把大地作弧面看的“正確”所造成的誤差比細菌的身長還小的多，遠小于我們測量工具帶來的誤差，所以，在實際運用中如設(shè)計房屋之類，把大地看成平面又是“正確”的（盡管的確是根據(jù)錯誤的世界觀）。這樣做更經(jīng)濟和有效率，而作弧面算法將非常復(fù)雜，沒有實際意義。同樣，愛因斯坦的相對論的運用方面，當(dāng)物體在遠小于光速的運動狀態(tài)則相對論方程可以簡化為牛頓的運動方程。比如說，按相對論原理，我們奔跑時與靜坐時相比，我們身體的質(zhì)量會增加，但因為奔跑的速度與光速比非常微小，我們因奔跑而增加的質(zhì)量比我們身上的任何一粒微塵都小得多，這遠比風(fēng)吹在我們身體上落上的塵埃微不足道，自然可把質(zhì)量看作是與運動無關(guān)的量，盡管這顯然是錯誤的世界觀，因物質(zhì)不是與運動無關(guān)的，但由此“錯誤”世界觀所帶來的誤差因為太小，可以忽略不計，所以是“正確”的。人造衛(wèi)星的運動速度比我們奔跑的速度要快的多，但相對光速卻是非常慢的，所以計算人造地球衛(wèi)星的軌道使用牛頓定律不會造成預(yù)想之外的誤差。當(dāng)物質(zhì)高速運動（與光速可比）在大的時空中，相對論效應(yīng)就會變得大起來，依照牛頓力學(xué)計算就是錯誤的了。我們能夠根據(jù)相對論能推演出牛頓力學(xué)，但根據(jù)牛頓力學(xué)無論如何推演不出相對論。所以愛因斯坦相對論時空觀是比牛頓力學(xué)時空觀更高級和更普遍的形態(tài)。

　　需要說明的是，即使不理解相對論的時空觀對于地球人的倫常生活也沒有什么影響，愛因斯坦誕生以前，或者更早，萊布尼茨誕生以前人類生活沒有因為世界觀的“錯誤”而發(fā)生什么不愉快的事件。對于我們善良的祖母來說，她實在不需追究時-空的相對論意義，她知道公雞打鳴就起床（時間），懂得鞋子必須按腳的大小去做（空間）就足夠了。

　　問題（二）：《睡美人》里城堡靜止的時間和湖泊里沒有魚的水空間為什么不能存在呢？

　　這個問題的核心是——為什么時-空不能脫離物質(zhì)運動而單獨存在。在《睡美人》的城堡里，當(dāng)公主酣睡百年時時間靜止了，此時城堡里的任何物品、人都依然存在——這是不可能的。如果時間真的靜止了，那意味著什么情況發(fā)生呢？意味著組成城堡里的任何物質(zhì)的運動就停止了。這種靜止不是這樣的靜止：劈柴人舉著手斧停止在半空，飛鳥懸在天上，河水停止了流動。而是這樣的情況：組成城堡里的所有人、物的原子內(nèi)部的運動也停止了。電子將吸附在原子核上，而原子核很小，組成物質(zhì)的原子的體積大部分是被電子的波動填滿的，電子停止運動將意味著原子的崩塌，整個城堡會頃刻變得像米粒那樣小。而且崩塌還沒有完，因為組成原子核的質(zhì)子和中子的相對運動也停止了，質(zhì)子（正電荷已經(jīng)被電子抵消）、中子內(nèi)部的微粒也停止運動等等，總之如果運動停止，組成城堡的物質(zhì)就崩塌下去直到徹底消失了。時間停止意味著運動消失，而運動消失則意味著物質(zhì)消失。

　　——當(dāng)然這一切都沒有真實發(fā)生，因為沒有任何城堡的時間停止。在我們目前的宇宙沒有時間靜止的地方，即使黑洞內(nèi)部，存在著緩慢流動的時間。關(guān)于把湖泊的水比喻為空間，把魚比喻為物體，如果魚（物質(zhì)）被漁夫撈光了，水（空間）還在嗎？讓我引用愛因斯坦在某次關(guān)于相對論講演中所說的話吧：如果宇宙中的所有星體都忽然從宇宙中消失了，女士們，先生們，你們認為時間、空間還存在嗎？我告訴你們，不存在了，時間、空間也都消失了。

　　問題（三）：阿基里斯能否追上烏龜？

　　這是古希臘哲學(xué)家芝諾提出的關(guān)于時-空的古老的也是最具有現(xiàn)代意義的問題，芝諾的問題第一次對于人類想當(dāng)然的空間無限可分性提出了質(zhì)疑。阿基里斯（飛毛腿）想追上在他前面爬行的烏龜，盡管阿基里斯比烏龜跑的快但他將永遠追不上烏龜。原因是這樣的——芝諾以這樣的方式提問題：阿基里斯要想追上烏龜，他必須先到達烏龜剛才（阿基里斯開始追烏龜?shù)臅r刻）的地點，當(dāng)阿基里斯到達這個地點，烏龜又走了一段距離。此時，阿基里斯和烏龜?shù)木嚯x縮短了，但烏龜還是在阿基里斯前面。阿基里斯繼續(xù)追烏龜，他還必須先到達烏龜剛才（阿基里斯第二次追烏龜?shù)臅r刻，當(dāng)然所謂“第二次”是為敘述方便，阿基里斯的奔跑是連貫的，烏龜?shù)男凶咭彩沁B貫的）的地點，在阿基里斯到達這個地點的時間內(nèi)，烏龜又向前走了一段，盡管這一次阿基里斯與烏龜?shù)木嚯x更近了，但烏龜還是在阿基里斯前面。以至無窮地追趕，盡管阿基里斯無限地接近。

　　芝諾的問題涉及到經(jīng)典時空觀的根基問題，按照經(jīng)典時空觀，時間、空間無限可分，芝諾佯謬就無法克服。直線無限可分那就必然導(dǎo)致不僅阿幾里斯不能追上烏龜，而且再快的飛行器也追不上烏龜。問題在哪里？中國先秦哲人早就知道：“一尺之捶，日取其半，雖萬世不竭”。然而這種空間觀只是理想的空間，而宇宙中真實的空間不是無限可分的。

　　根據(jù)量子力學(xué)真空態(tài)只是物質(zhì)的一種特殊形態(tài)，宇宙中的任何一點都不能是絕對的空無，如果絕對為空無將導(dǎo)致與測不準原理不協(xié)調(diào)。超弦/M理論認為空間是量子化的，一維空間（線）、二維空間（面）、三維空間（體積）都是量子化的。線在超弦理論被稱為弦，弦的量子線度是10-33厘米，面積量子是10-66平方厘米，三維體積量子為10-99立方厘米[14]。

　　由于空間不是無限可分的，所以當(dāng)阿基里斯追至雙方接近到10-33厘米，不容烏龜再走比10-33厘米更小的一步，就是說阿基里斯不必先到達10-33厘米一半的地方，因為空間中沒有這樣的地方，而是到達整數(shù)倍（起碼1倍即等于）10-33厘米處，阿基里斯終于可以超過烏龜了。

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　　[1] 有關(guān)歐幾里德幾何、黎曼幾何、巴羅切夫斯基幾何三個邏輯系統(tǒng)的關(guān)系，請參閱[美]歐內(nèi)斯特《科學(xué)的結(jié)構(gòu)》，上海譯文出版社（徐向東譯）第278頁第九章《幾何學(xué)和物理學(xué)·一、可能的幾何學(xué)及其相互關(guān)系》。

　　[2] 史蒂芬·霍金著《果殼中的宇宙》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2001年版，139頁。

　　[3] H.Helmholtz，《Popular Lectures on Scientific Subjects》，Eng. trans. E. Atkinson，London，1873，p. 5.

　　[4] 見李白《春夜宴桃李園序》，逆旅，即旅店、客舍。

　　[5] H.Helmholtz，《Popular Lectures on Scientific Subjects》，Eng. trans. E. Atkinson，London，1873，p. 33.

　　[6] 約翰-皮爾·盧米涅著《黑洞》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2003年版，25頁。

　　[7] 參閱[英]W.C.丹皮爾著《科學(xué)史及其與哲學(xué)和宗教的關(guān)系》，商務(wù)印書館，1997年版，526~529頁。

　　[8] 見[德]莫里茨·石里克著《自然哲學(xué)》，商務(wù)印書館，1989年版，93~95頁。

　　[9] A.S.Eddington，《The Nature of the Physical World》，Cambridge，1928，p.220.

　　[10] 見《愛因斯坦晚年論文集》，海南出版社，2000年版。94~105頁《理論物理學(xué)的基礎(chǔ)》。

　　[11] 見《萊布尼茨與克拉克論戰(zhàn)書信集》，武漢大學(xué)出版社，1983年版，第32頁。

　　[12] 史蒂芬·霍金著《果殼中的宇宙》，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2001年版，11頁。

　　[13] G.P.Thomson，Proc. Roy. soc. A CXVⅡ，1928，p.600.

　　[14] 薛曉舟《超弦/M理論真空及其哲學(xué)問題》，載《自然辯證法研究》（2003年，第二期），中國自然辯證法研究會出版，4頁。薛曉舟該文關(guān)于時空量子化的數(shù)據(jù)來源于：J Madore. An introduction to noncommutative differential geometry and its physical applications[M].Cambridge University Press,1995.

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