空间与时间
2016-11-24
许多非常基本的哲学问题，例如生命的意义、物质的本原等，会随着人们对世界的认识而有不同的回答。假如人的感知或智力能力远差于现在，那我们眼里的世界肯定就是另一幅模样了。但即使我们拥有健全的感知与智力能力，也并不代表我们就能洞察真相。人类通过经验了解世界，但也经常被表象迷惑。作者正是要通过修正经典物理体系里的传统时空观念来重塑大众的世界观。
运动与静止是相对的，你不能区别自己是处于匀速运动还是静止中，但你却可以感觉到自己是否在加速：车在转弯、飞机降落，我们都有感觉。而且这种感觉不受所选参照物的影响：如果你站在地上不动，看远方的飞机起飞，你和飞机有相对的加速运动，但却只有飞机上的人能感觉到加速。是什么使得加速运动这么独特？
牛顿给出的答案是绝对空间，绝对空间不需要任何外部事物做参考，永远保持不变且不可移动。问题解决了，只有相对于绝对空间加速才是真的加速，才能使人们产生感觉。但关于绝对空间是什么，是一种物质还只是一个概念，牛顿并未给出让人信服的答案。由于牛顿力学在应用上的巨大成功，人们相信了绝对空间，就好像装着无价之宝的盒子也一定价值不菲一样，牛顿本人甚至认为绝对空间才是自己真正的伟大发现。
200多年后，马赫提出了新的想法：物体在加速时所感受到的力是宇宙中所有物质的一种累加效果。如果宇宙中除了你，什么都没有，那你怎么加速都没有任何感觉，甚至可以认为此时任何运动状态都是等效的。在马赫看来，空间只是表示物体之间的相对位置而已，如果没有物体就没有空间，更没有绝对的空间，就像没有字母，字母表就毫无意义一样。
尽管马赫的想法给人以启发，但人们还是相信并认同牛顿的绝对空间。直到麦克斯韦研究电磁波时，新的问题来了。当时人们发现电磁波的传播有两个特点：不需要介质，速度是恒定的。
第一个问题直接导致了“以太”的概念，人们认为其他波的传播都需要借助于介质，电磁波也不应该例外，只是我们目前没有发现这种介质而已，于是暂时称其为“以太”，又一次，无价之宝放在了不明不白的盒子中。
第二个问题引导着爱因斯坦发现了狭义相对论。如果无数次的精确实验表明，无论观测者的运动状态如何，其测得的光速都是一个恒定的值，那么事实就确实如此。速度无非是空间与时间的比值，要使光速对于任何观测者恒定，只能是不同观测者测到的空间与时间不同，但又精确地互补这一个可能。即是，对于不同运动状态的物体来说，空间和时间并不是绝对的，又或者说，人们穿越时间的速度并不相同。牛顿的前提错了，狭义相对论提出了一个适用于所有运动的简单原则：任何物体穿越空间和时间的合速度精确地等于光速。如果你能跑的和光一样快，时间对于你来说就停止了。
沿着这个简单的结论，往前一步，爱因斯坦就发现了自己的“绝对空间”。虽然时间的概念对不同运动状态的物体来说不尽相同，但这也只会影响观察者对时空（一定空间范围在一段时间内所发现事情的总和）中所发生事情的先后排序，并不会改变时空本身。于是“绝对时空”而不是“绝对空间”给一切运动提供参照物。
当爱因斯坦想到引力时，他发现人在加速时的感受与受到引力的作用感觉居然一模一样，换句话说，加速与引力的感觉是等价的，再换句话说，你一旦意识到自己感受到了引力，那么你一定就在加速，唯有那些没有感受到引力的人，就像飘荡在真空中的宇航员或者从高处跌落到半空中的人一样，才有权利声称自己没在加速。在爱因斯坦看来，是牛顿撞上了苹果。
再一次，沿着一个简单的结论，往前一步，如果将没有加速的物体的运动轨迹看成是空间本身的形状，那么引力将靠近自身的物体吸引过来，就好像是空间的形状被物质改变了一样。假如把宇宙想象成台球桌，如果没有任何物质，物体在宇宙中运动就应该像台球在平的台球桌上运动一样，但宇宙中有了物质有了引力后，引力的吸引作用就好像台球桌上凹下去了一个坑，台球靠的太近会掉下去。就这样，爱因斯坦将物质本身的影响加入到了时空的概念中得到了广义相对论。事实上，根据爱因斯坦的广义相对论，物质通过引力改变的不是空间而是时空的形状，而且这种改变传播的速率正好也是光速。
相对论是在极端的速度或引力下才具有显性，另一个同样在极端条件下才具有显性的理论是量子力学。虽然相对论告诉我们时空是相对的，对却仍然是可以计算的，你能算出不同的人在时间观念上的差异，或者不同的物质对时空的不同弯曲程度，再结合经典理论，你还是可以准确地预测未来。但量子力学完全是另一回事。因为测不准原理，你永远不可能同时知道一个粒子的精确位置和精确速度，更别说预测未来了。关于粒子，我们能知道的全部就是概率，我们只能算出粒子可能出现在某处的概率。但每当真正去测量粒子时，我们又都只会在一个确定的位置发现它，从没有人发现，一个电子既在这儿，又在那儿。也就是说量子力学的理论在测量之前给出的只能是一组概率，而测量这个动作又会使粒子从这些可能的概率中选择一种呈现在人面前。
这么诡异的理论，连爱因斯坦都不能接受，他反问道“难道我不去看月亮，月亮就不在天上么？”爱因斯坦和一些科学家想到了一个打破测不准定律的方法，如果有两个电子，他们以大小相同方向相反的速度背向而行，那我测量左边电子的位置，测量右边电子的速度不就知道他们各自准确地位置和速度了么。
很明显，这是一种传统思维，这种思维基于一些不证自明的公理，比如对物体A的测量不会立刻就影响到物体B，除非有某种东西经过一定的时间将影响从A带到了B，就像声波将我的话语带到了你的耳朵里。这种特性被人们称为“定域性”。但在量子世界里，定域性并不总是成立。理论计算表明处于量子纠缠状态的两个粒子，对其中一个的测量，尽管测量之前结果是随机的，但一旦有测量结果，就会迫使另一个也呈现一样的结果。就好像两个盒子里的灯泡可能发绿光也可能发红光，或者交替变换着发光，谁也不知道，但如果你打开其中一个盒子，发现里头是红光，那么你打开另一个盒子，里头也将是红光。爱因斯坦否认量子纠缠，在他看来，只是这两个盒子里事先被装进了相同的发光程序而已。人们一度无法反驳爱因斯坦，因为根本没法检验——在打开盒子之前谁都不知道里头的灯泡是怎么发光的。
1964年，爱尔兰科学家约翰贝尔设计出了一个实验完成了对“定域性”的检验。他的实验可以简单比喻如下：有两个特殊的盒子，每个盒子都有3面门分别在顶面、侧面和前面，只要打开任意一面门，盒子里的灯泡就会随机选择是发红光还是蓝光，如果同时打开两个盒子的同一扇门，那么盒子里的灯泡就会发相同颜色的光。在这种情况下，如果两个人各自随机打开两个盒子的门，他们看到相同颜色光的概率将告诉我们盒子是真的处于纠缠状态还是只是被设置了相同的程序。如果盒子事先被设置了程序，比如打开顶面和侧面的门，灯泡发红光，打开前面的门，灯泡发蓝光。那么两个人各自随机选择打开任何一扇门，他们看到同样颜色的光的概率是5/9；如果盒子真的是处于特殊的量子纠缠状态，那么他们看到同样颜色的光的概率将是3/9。而无数次实验结果的统计表明，事实情况是后者，爱因斯坦错了，事物并不总是遵守“定域性”准则。贝尔的实验也告诉我们，处于特殊的纠缠状态中的粒子特别容易被外界干扰，比如这种粒子一旦与另一个粒子相碰，纠缠状态就被抹除，这或许可以解释宏观上的物体严格地遵守着“定域性”准则的原因。
“人类只有在巨大压力下才有可能得到来自牢靠掌握相对论的生存优势，非极端条件下，我们的感觉无法发展出对相对论效应的敏感性。所以，我们需要努力运用智力来弥补感官上的不足，才能达到真正的觉醒与理。”
与空间并列的另一个谁也说不清楚的问题是时间，任何一个人稍稍停留一下注意力，就会发现时间在直观上有一些特点：时间是流动的，它总是不停地将现在变成过去，没人看到过静止的时间；时间是有方向性的，时间总是只向未来，没有人今天回忆起的事情确是明天发生。
关于时间的流动，对于我们来说，就是时间将无数个当下的时刻变成过去，好像当下的这个时刻具有与过去和未来截然不同的特性。但当下是什么呢？对于我自己来说，我很清楚当下就是我敲击键盘的这个时刻，但如果我要问远在地球另一边的奥巴马的当下，我得通过直播或者其他渠道，然后扣除信息传递的时间，也就是说我要通过过去才能了解当下。更特殊的情况，狭义相对论告我们每个人对现在的理解会随着速度与距离而改变，如果一个人速度够快，或者虽然速度不快，但距离够远，他的当下可能是几年甚至几亿年后的我们。从相对的角度看，当下并没有显得那么特殊。
更为微观的世界里，过去现在和未来的区别更为模糊，比如在著名的双缝衍射实验中，即使粒子以单个状态一个一个地通过双缝，最后也能得到衍射图案，量子力学给出的解释是粒子的概率波通过了双缝形成衍射，这就好像粒子即有可能从这个缝通过，也可能从另一个缝通过，这两种可能的历史相互叠加作用形成了当下的衍射现象。如果你在粒子到达接收屏之前探测出它到底是从哪条缝隙通过的（这很容易做到），屏幕上就不会出现衍射现象。这就好像当下的动作会影响过去一样，没有探测之前，粒子处于各种历史可能的叠加状态，可能穿越任一条缝隙，一旦你探测到粒子的路径，就从各种可能的历史中选择了一条，排除了其他，你当下的选择改变了历史。更奇妙的是，如果你探测到粒子的路径，但在粒子未到达接收屏之前你抹去了路径信息，粒子又重新开始衍射。
就个人而言，我所感到的时间有方向性的流动，是因为很多日常经验的积累，比如花儿从树上飘落、鸡蛋打碎等都是有方向的，花儿从不会从泥里飘起来在连到树枝上，破碎的鸡蛋也不会聚拢成完整的鸡蛋，人也不会越活越年轻。但这种直观上的方向性在任何物理定律里都得不到体现，譬如牛顿定律，如果你将扔出的球的速度变为原来的反方向，但大小不变，其他一切都不变，那球就会沿着被扔出的轨迹重新回到扔球人的手里，就像从现在回到过去一样。物理定律并没有规定时间的方向，他们都有时间反演对称性。
你可能会想到热力学里的熵增定律，既系统总是自发地从低熵状态向高熵状态演变。这似乎给我们提供了一个时间的方向性，就像揭开瓶子的盖子，里头的气体会自发地扩散到瓶子外头，而不会是相反。这样的假设有一个前提，就是瓶子里原本就密封了一瓶气体，如果瓶子的盖子本来就是开的，与房间连通，那么整个系统的熵将会处于无规则的波动状态，这样的状态熵增和熵减的概率是相等的，时间既可以从过去流向未来，也可以从未来流向过去。我们的宇宙肯定不会是这样，系统持续熵增只在一个前提下才有可能发生，那就是时间的起点处，熵必须是极低极低的。就像那个低熵的鸡蛋，鸡蛋是鸡产的，鸡是高度有序的低熵动物，追溯食物链，鸡的食物最后指向植物，它进食低熵的植物，排放高熵的二氧化碳和热量，植物的能量来自更为有序的太阳，太阳发生核反应将能量以低熵有序的电磁波辐射出去，太阳又来自宇宙的演化。宇宙演化的源头对我们的时间起到了关键的作用，它决定了我们时间的方向性。
自人们发现宇宙在不断膨胀后，大爆炸就是宇宙演化的经典理论，但关于宇宙的起源，大爆炸理论只是假设宇宙起源于一场爆炸，但什么爆炸了，怎么爆炸的，为什么会爆炸，它并没有提起。后来，人们发现宇宙不仅膨胀，而且是以越来越快地速度膨胀，在大爆炸理论中，宇宙爆炸后就只受到引力的阻碍，别无其他膨胀动力，那么宇宙的膨胀速度应该会越来越小，而不是相反。另外，宇宙背景辐射温度的高度均匀性，大爆炸理论也不能解释，因为在大爆炸中，信息交换的距离不能超过光在相同时间内传导的时间，想一想大爆炸之初的景象，宇宙以超过光速极快的速度膨胀，各个区域是相互独立的，甚至连光都不能沟通彼此，随着膨胀速度的下降，沟通才成为可能，那么为什么古老宇宙的微波辐射温度表现出高度的均匀性呢？这两个问题都是传统的大爆炸理论解释不了的。
宇宙在膨胀之前的状态是目前的理论无法回答的，一方面它质量巨大，必须使用宏观上的相对论，但它又体积非常微小，必须使用微观上的量子力学，但这两种理论目前是不能同时使用在一个体系中的。人们必须从别的方面突破，对称性就是一个可能的方面。
物质经历相变前后可能面目全非，如果不是亲眼所见，人们很难相信冰和水甚至透明的水蒸气是同一种物质，相变的过程都会伴有对称性上的改变，比如水蒸气的对称性最高，以任何方式调换任何一个水分子都不会有影响，相比，液态的水分子头尾相连，不能随意替换，冰属于晶体，分子按更严格的顺序排列，对称性更低。物质可以相变，如果宇宙也可以相变呢？科学家设想，宇宙的相变改变的是场，希格斯场，这种场是质量的起源，因为他会阻碍物体的加速。
如果希格斯场在宇宙冷却后维持一个非零的值，物质的加速就会速到阻碍，从而获得质量。如果将宇宙升温到一个极高的程度，希格斯场将变得不稳定，在零点的上下震动，此时讨论粒子的质量将没有意义，这就是宇宙在爆炸之前的景象。
爱因斯坦很早之前在解释定态宇宙时，就计算出温度、能量和压力都对引力有贡献，例如同样的东西，热的比冷的重些，压缩的弹簧比自然状态重些，正的压力对引力有正的贡献，负压则相反，他要用这种负压产生的反引力对抗正引力，从而达到静态宇宙的结果。虽然爱因斯坦要达到的是一个错误的目的地，但至少他选对了交通工具。人们发现负的希格斯场就会给空间注入负压，这种负压将产生负引力，这就是爆炸的动力，这种力产生的效果比经典的大爆炸强大的多的多，宇宙以极快的速度膨胀。由于这种特殊的引力直接来自于空间，空间越大，力就越大，膨胀的速度就越快，膨胀之初极短的一个时间内可能速度并不是很快，光还可以在各个区域传递信息，以致大家的温度都差不多，从而产生均匀的微波背景辐射。
这就是暴涨理论，它描述的宇宙以比大爆炸理论更为精确，它甚至能计算出微波背景辐射温度极其细微的差异，因为根据暴涨理论，宇宙在极短的时间内从极小的空间以极快的速度暴涨开来，甚至量子力学层面上的波动都被放大成宏观上天体的差别，也就是说，我们头上璀璨的星空就是暴涨之前量子波动的证据。
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