穿越時空:結構與秩序

2021年10月09日00:03

原標題:穿越時空:結構與秩序

文 / 鄭磊

古希臘哲學家亞里士多德是第一個深入探討“空間”或“位置”含義的人,他指出:物體的位置是指其周圍有什麼。人們對於空間和時間的認識是逐步深化的,《空間簡史》正是一本介紹人們空間認知過程的小書。作者托馬斯·馬卡卡羅是意大利的一名物理學家,因為時間和空間本身就屬於最基本的物理學概念範疇。

人類最先對空間和時間的理解,可能是這樣的:當我們站起身時,能夠感受到一個物體和我們在高度上的差異;當我們以九十度角伸展雙臂時,能夠覺察到這個物體與我們左右手的距離。這就是(三維)空間感,它來自物體相對我們身體的位置變化。眼睛讓人類建立了第四個維度,也就是時間。陽光透過眼睛作用於身體各個部分,建立了人體生物鍾,人們逐漸養成了日出而作、日落而息的生活節奏。一個完全的人就是一個“時空統一體”。人生天地間,隨著地球一起繞太陽轉動和自轉。打個不很準確的比方,我們可以將地球上的人當作地球的“同步衛星”,他們的軌道高度從0米到36000公里不等。

根據愛因斯坦的狹義相對論,在不同高度的時間快慢不同,越高則時間過得越慢。當然,這個差異必須在高度差很大時才能感知到。而愛因斯坦的另一個推論是運動速度也會影響時間的快慢。這樣就通過高度、靜止或運動將空間位置與時間統一起來。換言之,從物理學和生物學角度說,每一個時刻的你,都是嶄新的全然不同的你。

從個人到宇宙,是人類對空間認識的擴展和深化過程。這本書按照時間順序介紹了不同時代的學者對宇宙的研究成果,涉及到天文學、製圖學、光學、數學等學科。人們用裸眼和地球上的時間概念就可以看到遙遠太空中的星體,比如距離我們有兩百萬光年的銀河系外的仙女座星系。越來越多的發現表明其他星球上可能存在著複雜生命,利用德雷克方程,我們可以估算出來。“人類中心說”是狹隘的,天文生物學一直在努力尋找地球之外的生命。同時,人類也在茫茫太空中,尋找著另一個可以居住的家園。

按照人類現有知識,宇宙誕生於140億年前,大小約460億光年,而且還在不斷膨脹變大。這是人類目前知道的邊界,但其實宇宙很可能沒有邊際。按照我們的知識體系,宇宙中除了可以看得見的物質之外,還應該有看不見的“暗物質”,而且明物質只占暗物質的20%左右。除了符合守恒定律的常規能量,還可能存在“反能量”。這些新思想正在成為粒子核子物理學進一步發展的“養料”,為現代物理學開闢了一個全新研究領域。

我們生存的這個宇宙,是一個巨型空間,地球只是其中一個很微小的星球,可能是宇宙生成過程中一個偶然結果。除了這個宇宙,學者提出多元宇宙的觀點,比如沙普利認為可能存在10^500個宇宙,之後這個估計數字很快被提高,比如10的10次方的16次方,也許與我們這個宇宙平行存在著無數個宇宙。我們只是在用自己的眼睛(加上天文望遠鏡的輔助)認識到的時空結構在觀察明顯比地球廣闊得多的地外空間。很可能這種結構本身限制了我們的理解能力(井底之蛙的既視感),因為有多少個宇宙,就可以對應有多少種時空結構。

按照我們理解的時間結構,“現在”是一個相對特定對象的局部事件。而對這個特定對象而言,“過去”和“未來”像兩個尖端相對的圓錐體,兩個尖端的交點就是現在。光沿著錐體的邊沿行進,所以我們的時間結構就像一個“光錐”。這個特定對象總向著未來前進,卻有可能回到時空中的同一個點(或最初的事件),這個結論很類似佛經提到的“輪迴”。我們的時空結構還是一個“引力場”,由於引力存在,會發生時空“彎曲”,使得“光錐“傾斜。愛因斯坦通過這種方式兼容了亞里士多德和牛頓看似相互矛盾的時空觀。隨著量子力學的發展,我們這個時空似乎還存在著一個具有量子特性的結構。理論物理學由此出現了弦理論和圈理論。本書作者就是後一種理論的支援者。也許愛因斯坦相對論確立的時空觀最終也會被另一種更全面的理論替代,也可能在量子如此微細的空間里,存在著另一種時空結構,這種時空結構完全可以和我們生活的時空相對獨立地共存。人類對時空結構和秩序的不懈探索,將讓我們有希望看到更多種類的時空結構,我們的生存空間也因此得以拓展。

(編輯:杜尚別)

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