互动科普

我们在时空中体验时空的存在。例如，中国古代就有宇宙一词，其中“宇”指的是空间，“宙”指的是时间。地质年代的最大单位我们就翻译成宙。康德曾就人类对时空的先验直觉有过深入的讨论，而直到近代科学阶段，时间和空间才有严格的数学物理定义。在牛顿那里，时间是绝对的；虽然有伽利略相对性原理，牛顿也觉得有绝对空间存在。对于牛顿，时间空间是独立的物理存在。而莱布尼兹对时空的理解更接近我们对时空的现代理解，即这些最基本的物理概念都有可操作的定义。例如时间的定义就是事件的次序，我们通常用周期性运动来定义时间单位。

撇开时间的单向性，我们想问，在物理学中，时间究竟是什么？很遗憾，直到今天，除了一些操作性的定义，我们并不知道时间究竟是什么。时间的操作定义与人们心理上感到的时间很类似，也就是说，当我们感到变化，我们觉得时间流过，或时间在流逝。所以，时间和变化即运动有关。为了量度时间，我们需要找到可以信赖的运动，例如天体在天空中的位置的变化。一天，就是太阳升起落下和再升起，或星星在天上东升西落一个周期。一月，是月相变化的一个周期。一年，是地球绕着太阳运动的一个周期。所有这些都和周期运动有关。有时，我们觉得这样定义的时间并不准，这和周期是否是严格的有关。现代授时技术已经用到了原子钟，这是基于某些原子的跃迁频率。

以上的时间的操作性定义基于一个假定，即时间的均匀性，或某种周期运动本身的均匀性。这看上去有点同义反复，但并不完全是这样。时间的均匀性和时间的另一个性质密切相关，就是物理定律在时间上的“平移不变性”，一个物理定律在一万年前是如此，一万年后也是如此。周期运动是物理定律的一个结果，所以周期运动的一个周期是均匀的。在牛顿力学中，时间是均匀流动的，在爱因斯坦的狭义相对论中，时间同样是均匀流动的。时间的均匀性和物理学中另一个深刻的现象有关，就是对称性意味着一个守恒的物理量。物理定律在时间上的平移不变性是一个对称性，其对应的物理量是能量，能量守恒和时间平移不变性是同义语。我很难用一个形象的办法解释为什么时间平移不变蕴含着能量守恒，我们可以将这个关系作为物理学的一个结论接受下来。当然，如果你接受量子力学的一个基本定律也能理解时间和能量的关系。在量子力学中，频率与能量成正比，那么，时间的均匀性意味着频率的不变性，也就是能量守恒了。

在物理学中，无论是牛顿力学体系还是爱因斯坦的狭义相对论，空间也是均匀的，就是说，你在一个实验室发现的定律，在另一个实验室同样适用。空间的均匀性也意味着一个守恒量，就是动量守恒。我们同样可以利用量子力学解释两者之间的密不可分的关系。在量子力学中，动量与波长成反比，如果空间是均匀的，那么一个波长传播到另一个地方波长不变，意味着动量守恒。

马赫也许是历史上第一个质疑绝对空间的合理性的人，他的质疑直接导致爱因斯坦开始思考时空问题，以及后来发现狭义相对论和广义相对论。在爱因斯坦的理论中，时间和空间是有机的整体，相互之间可以有一定程度的互换，而且时间的流逝不再是均匀的，空间也是可以弯曲的。但时空还是有本质的不同，比如因果律依然是严格的，即我们不能回到过去杀死我们的祖父。用专业的术语来说，就是两个事件的间隔可以是类时的（两个事件可以有因果关联），可以是类空的（两个事件不可能有因果关联），也可以是类光的（两个事件可用光速运动连接），这三种间隔不可以互相转换。

时空在爱因斯坦的理论中已经从牛顿的绝对存在变成和其他物理对象类似的概念，即是可变的，与物质相互依赖。所以爱因斯坦说过，时间是我们根深蒂固的幻觉。在现代弦论中，空间可以不是最基本的概念，有点类似水波那样是衍生的概念：也许在宇宙极早期空间失去可观测和可操作性。那么时间呢？很多弦论学家也怀疑时间可能是衍生的，虽然我们还没有具体的例子。最近对引力作为熵力的研究也说明空间是衍生的概念，而不是像我们过去认为的那样是最基本的概念。

另外，虽然在现代物理理论中，时间还是单向和一维的，空间却可以高于三维，额外的空间维因为各种原因我们不能直接感受到，例如尺度太小。

我觉得，不论理论上还是实验上，我们对时空的概念必将面临革命性的变化。

（本文发表于《科学世界》2010年第9期）