从绝对时空到量子泡沫

在人类试图理解宇宙的漫长旅途中，时间和空间一直是最基本的定义。大家生活在一个由时间和空间构成的舞台上，所有事件在这个舞台中发生和展开。伴随物理学的进步，时间和空间的本质和关系也在不断被重新概念。这个探索经历从牛顿的绝对时空，到爱因斯坦的相对论，再到现代物理中的量子和宇宙学。什么是量子泡沫？为何施一公院士说“时间并没有”？大家来一块揭示这个充满奥秘的时空图景。

从绝对时空到相对时空

17世纪，牛顿提出了经典的时间与空间观念。在牛顿的理论框架中，时间和空间是完全独立且绝对的存在。时间如一条均匀流逝的线，在任何条件和地方下都维持一致；空间则是一个无限延展的容器，其中物体自由地运动。时间和空间构成了一个不受物体或事件影响的舞台，所有些物理现象都在其上演。这一观念不只奠定了经典物理学的基础，也形成了机械宇宙观的核心，觉得宇宙好似一个巨大的时钟，由物体和力的相互用途所推进。

在相对论提出之前，牛顿的绝对时空观得到了广泛认同，特别是在其著作《自然哲学的数学原理》中，牛顿对绝对时间和绝对空间的看法做了系统讲解。在牛顿的力学体系中，惯性系被概念为相对于绝对空间静止或做匀速直线运动的参考系，伽利略的相对性原理在牛顿的绝对时空观框架下得到了进一步讲解和进步。伽利略变换描述了不同惯性系之间的空间和时间转换，表明在不一样的惯性系中，时间和空间的尺度维持不变。换言之，时间和空间不只绝对，同时性也是绝对的——若在一个惯性系中两个事件被观测为同时发生，则在所有惯性系中皆为这样。

为论证绝对空间的存在，牛顿设计了一个著名的物理实验，牛顿桶实验：现有一个盛水的桶，刚开始桶和水都静止时，水面是平的。伴随桶开始旋转，水与桶尚未同步转动时水面仍维持平坦；当水渐渐随桶同步转动时，水面呈现凹形。即使桶最后停止转动，水仍会继续旋转，且水面维持凹形。牛顿觉得，水面呈凹形是因为水相对于绝对空间的旋转所引起的惯性，说明水的运动状况取决于某个绝对参考系，从而支持了绝对空间的存在。

图 牛顿桶实验

19世纪，麦克斯韦的电磁理论第三推进了物理学的进步。他通过方程组将电、磁、光统一块儿。然而，当时物理学界常见觉得电磁波需要以太作为传播介质，这一理论存在一个重点问题：假如地球在以太中运动，那样地球移动方向上测得的光速应该有所变化，就像在逆风中行走速度变慢一样。科学家们试图通过迈克尔逊-莫雷实验来证明地球与以太间的相对运动，这是迈克尔逊和莫雷试图验证的出发点。

1887年，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷设计了一个精密的干预实验，称为迈克尔逊-莫雷实验。实验装置主要包含一个干预仪，它将光束分成两条路径，一条沿着地球公转方向，另一条垂直于地球的运动方向。通过比较两条路径的光程差，他们试图测试地球在以太中的运动，即所谓的以太风。

依据以太假说，假如地球在以太中穿行，沿地球运动方向的光速应该变慢，而垂直方向的光速维持不变。实验的设想是：当两个光束重新汇合时，会产生肯定的干预条纹偏移，表明光速受地球运动影响。然而，实验结果却完全出人预料——两条光路的光速并没任何显著差异，干预条纹也没发生预期的偏移。这一结果表明，无论地球是不是在运动，光速好像是相同的。但实验结果却表明光速不变，与地球的运动方向无关。这一发现与伽利略变换产生了冲突，由于依据伽利略变换，不同惯性系中的光速应随相对运动而变化，麦克斯韦的电磁理论在这一矛盾中站在了传统经典力学的对立面。

图 迈克尔逊-莫雷以太风实验

直到20世纪初，爱因斯坦的相对论出现，彻底颠覆了绝对时空的传统观念，解决了上述冲突。他提出，光速不变，且在任何惯性系中皆为常数，这一原理奠定了相对论的核心。

爱因斯坦通过狭义相对论指出，时间和空间并不是独立的，而是密切有关并构成了一个四维的时空整体，每个物体在宇宙中的地方不只由三维空间坐标决定，还包含了时间坐标。在他的理论中，时间和空间不再是固定不变的。伴随物体速度接近光速，时间在察看者看来会变慢，空间也随之缩短。爱因斯坦引入这一框架，赋予时间和空间统一的性质。

前文提到，狭义相对论的一个核心假设是光速不变原理，即无论察看者的速度怎么样，真空中的光速一直恒定不变。这个原理对于时间膨胀和长度缩短现象至关要紧。无论察看者是不是相对于光源运动，测得的光速一直相同。

爱因斯坦还提出了相对性原理，即物理定律对所有惯性参考系都是相同的，不会由于察看者的运动状况而改变。相对性原理与光速不变相结合，讲解了为什么时间和空间会随速度变化。这种现象表明时间和空间是相对的，依靠于物体的运动状况。于是更进一步，在广义相对论中，爱因斯坦揭示了引力的本质。引力并非物体间的吸引力，而是由水平扭曲了周围的时空。可以将时空比作一张紧绷的橡皮膜，当一个水平较大的物体放置在上面时，橡皮膜会下陷形成一个凹陷，而其他较小的物体则顺着这一凹陷滑向大水平的中心。

量子泡沫

依据前文，在相对论中的描述，大家把视之为一个光滑、连续的四维结构，既能够描述天体的运行，也适用于物体在宏观空间内的运动。但伴随量子力学的兴起，在微观尺度的量子世界，科学家发现时空的本质却看上去远比大家想象的还要复杂神秘。

量子力学的核心之一是海森堡不确定性原理，也就是大家没办法同时准确测定一个粒子的速度和地方。可以如此理解，在平时生活的尺度上，空间是可以精准测量的，地方也好像是固定的。但在量子尺度，地方和速度的测量遭到限制，粒子的行为也呈现出不确定性。这种特质在微小的时空尺度上意味着，空间也会充满波动，不再是静止不动的，而是不断变化、极为活跃的。这种现象是宏观物理学没办法描述的，但在量子物理中，它却是不可忽视的基本性质。

在这种不确定性背景下，科学家们提出了量子泡沫的定义。当大家察看极小的时空尺度时，空间并不是如宏观世界那样平滑，而是呈现出类似泡沫的随机波动。这种泡沫由很多短暂生成和飞速湮灭的微小粒子和能量构成，形成了一个动态的结构。这就像在大海的表面上看到的波浪，尽管水面整体上是连贯的，但在特定的时空点上却存在着不断生成和消失的浪花。

科学家进一步推断，时空在量子水平上的表现可能是一种复杂的动态互联网，而大家察看到的平滑时空只不过其在宏观尺度上的表现。像海洋中的波浪在远观时看上去连绵不绝，而微观察看则会发现无数涌动的水分子，量子泡沫展示了时空的基本组成可能是一个极为活跃的互联网结构。这种量子泡沫现象不止是量子力学的一个推断，也是连接量子物理与广义相对论的一个要紧线索。爱因斯坦的相对论成功描述了宏观天体之间的引力关系，但在微观层面怎么样统一量子力学与引力理论，仍是科学界未解的难点。量子泡沫被觉得是量子引力的一个表现，这意味着在极小的尺度上，引力也会以一种全新的方法起用途。假如这类理论可以得到进一步的验证，那样量子泡沫可能会成为科学界理解时空的一个重点元素。

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