时空理论的发展历程

时空理论的发展历程

【摘要】：我们人类对于自身所处的空间的形态的认知，自古以来，经历了一段曲折的演变过程。从最初的经典物理学（牛顿力学）蕴含的绝对时空观，到爱因斯坦提出的建立在狭义、广义相对论基础之上的相对时空观，再到现代物理学所研究的超时空理论，如平行宇宙理论、超弦理论等。我们看到时空令人着迷的特性，它潜藏着无数稀奇古怪的结论，等待着我们进一步去探索发现。

【关键词】：时空，弦理论，十维空间，平行宇宙

【正文】：“夫天地者，万物之逆旅；光阴者，百代之过客”，李白的诗句准确地反映了古人们对时空的认识。我们人类生活在地球上，习惯以天为上，以地为下，又以东西南北来划分四周的空间。我们用钟表来计算时间的流逝：约定交易的地点、开展会议的时刻、判定运动员的成绩，与地球另一边的朋友对话等等，我们人类的生产生活等活动，似乎总是可以用时间，地点这两个要素完全确定下来。长久以来，我们便是被这些约定俗成的绝对时空观所统治。

从我们生活中的经历来看，时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。经典力学在伽利略、牛顿等科学家的努力下发展完善起来，其中所蕴含的绝对时空观更是深入人心，牛顿力学已经能够解释绝大多数关于力和运动的现象。一切力学规律在伽利略变换下是不变的。

并不是没有人质疑过绝对时空观，历史上著名的科学家麦克尔逊和莫雷做过这样一个实验，即用麦克尔逊干涉仪测定地球相对于以太的速度，然而无论他们如何努力，得到的仍然是零结果，换句话来说，他们发现不同方向上光速没有差异，即光速不变原理——后来成为爱因斯坦建立狭义相对论的基本假设。这个实验的结果沉重地打击了绝对时空观的拥护者。

爱因斯坦是第一个提出系统完整的理论来帮助人们摒弃绝对时空观，带领人们开始走进相对时空观的人，他指出时间和空间可以被联系在一起，物质的运动对时间和空间有一定的影响，他把时间作第四维，与三个空间维一起组成了四维时空。从狭义相对论出发，能产生几个典型的相对论效应：同时性的相对性、长度的收缩、时间的延缓。

为了使狭义相对论与万有引力定律统一起来，爱因斯坦继而研究和发表了广义相对论，提出质量引起时空弯曲的结论，引力被描述为时空的一种几何属性。狭义相对论和万有引力理论都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。狭义相对论是在没有考虑重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。广义相对论在天体物理学得到重要应用，它解释了水星的岁差，推导出黑洞产生的可能性，预言了引力波的存在，亦是现代膨胀宇宙论的理论基础。

时空理论并不是在爱因斯坦发表了狭义、广义相对论之后就完美了，物理学后来出现的几个事件，导致了量子力学的诞生。1900年普朗克提出辐射量子假说，解释了黑体辐射现象；1905年爱因斯坦引入光量子的概念解释了低温下固体比热问题；1913年玻尔建立起原子的量子理论解释了原子态的问题。微观粒子的性质不能用经典力学来解释，既不是波也不是粒子，而具有波粒二象性，在量子力学中，描述它的是量子态。微观粒子的真实状态分解为隐态和显态，具有不确定性，即我们无法同时确定其位置与动量，亦无法测定其经典的运行轨迹，只能用概率来描述。

量子力学是我们在四维时空中发展和建立起来的一套理论，它解决了微观物理中的许多问题，我们利用量子力学，也已经在生产生活中收获了很多利益。然而许多人依旧对量子力学感到诧异，甚至无法理解，对微观粒子这种诡异的、令人捉摸不透的行踪表示深深的疑惑。既然绝对时空观可以被我们否定，空间维和时间维相互独立可以被我们否定，我们为什么不

能否定我们只是生活在狭小的四维时空里？假设有更高维的时空，而这些微小粒子是在这些我们的感官无法触及的高维时空中按照一定的物理定律运行的，是否就能解开我们心中的疑惑呢？

弦理论是现代物理学中一个非常火热的词，它的基本观点是自然界的基本单元不是电子、中子、中微子和夸克之类的粒子，这些看起来像粒子的东西实际上时很微小的弦的闭合圈，弦的不同振动和运动产生不同的基本粒子。弦论是最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。为此，弦理论把空间的维数拓展到十维及以上，这样，才能使量子力学与广义相对论相互兼容。

假设空间是十维的，弦理论指出，在宇宙大爆炸的极短时间内，所有空间维都是平等地蜷缩在一起，相对论和量子理论可归为一个理论，然而随着宇宙膨胀的继续，三维的空间和一维的时间无限延伸开来，逐渐形成我们今天可感知的宇宙，另外的六维则塌缩在普朗克尺度内。这便是为什么我们无法观测和计算像电子这样的微小粒子的运动轨迹，因为在普朗克尺度内，这些微粒运动到了更高维的空间，因此我们在四维的空间只是捕捉到了它们的缩影而已，并且是转瞬即逝的，我们称之为出现的概率。

很多科幻故事里面都有提到“虫洞”这个词，“虫洞”被认为是一个宇宙连接另一个宇宙的通道，或者说是捷径。我们很容易就联想到，“虫洞”遍布于我们身边的每一寸空间，然而为什么我们没有穿越到另一个宇宙？因为它们太小了，无法使我们整个人保留完整的意识通过。如果要扩大这些“虫洞”，到宏观的量级，却需要巨大的不可想象的能量，人类根本无法用现行的任何科技来获得。

现实的困难和理论上的不可行不能阻止人们对穿越的遐想，假如人类终于有朝一日打开了“虫洞”，“上升”至更高维的时空，我们会看到什么？这将涉及到当今物理学另一流行的词汇——平行宇宙。该理论指出，在我们的宇宙之外，很可能存在着其他宇宙，而这些宇宙是宇宙的可能状态的一种反应，这些宇宙的基本物理常数可能与我们的宇宙相同，也可能不同。比如，你穿越到了另一个宇宙，你看到的完全是自己宇宙的复制品，你的所作所为只能改变另一个宇宙，当你返回时，自己的宇宙仍然是原来的模样。

然而，真正的大统一理论还没有被提出来，我们等待着有一天能把自然界四种物质相互作用力真正统一起来，我们也期待着有一天能实现星际旅行，或者掌握在高维空间运动的科技，为人类生存发展带来福音。