時間是如何產(chǎn)生的？

陳壯叔

隨著科學的進步，很多曾經(jīng)被認為亙古不變的認知被一個個推翻。現(xiàn)在，輪到了時間和空間。理論物理學家說，它們并非宇宙中最本質(zhì)的東西，而來自更深層次的“無”中。

談論時間、空間的第一位物理學家是近代物理學的奠基人牛頓。他說，時間和空間皆是絕對的、神創(chuàng)的。不過，這一說法早被現(xiàn)代科學的兩大支柱——相對論和量子論——所否定。大爆炸宇宙論說，宇宙從奇點中涌出，它不僅創(chuàng)生了能量與物質(zhì)，也創(chuàng)生了時間和空間。

但是，關(guān)于時間和空間的特性，迄今還在探討之中。這兩者皆為存在的基礎(chǔ)嗎？或者皆不是？抑或，其中一個首先從某種東西中涌出？總之，我們迄今尚沒有一個可靠的結(jié)論。我們要在物理學中取得更大進展，就必須獲得一個對“存在”真正有效的理論，它必須徹底了解時間、空間的特性。加利福尼亞大學的理論物理學家波奇斯基說：“為此，我們必須走向物理學的核心，當我們找到有關(guān)描述宇宙中萬事萬物的方程時，最基本的量就會從中顯現(xiàn)。”

其實，時間性質(zhì)的分量遠不止此，我們同樣碰到了宇宙如何誕生的問題。理論物理學家說，宇宙創(chuàng)生于奇點，他們用三個參數(shù)來描述這一過程，即光速C、牛頓引力常數(shù)G和普拉克常數(shù)h。宇宙學家認為，光速C和普朗克長度皆為時間和空間的極限單元，即不可分割的最小單元。那么在這個時間內(nèi)，怎么能有物理過程呢？此后所發(fā)生的宇宙性事件，不論是暴脹還是粒子湮滅，不都成了無源之水嗎？理論物理學家說，也許量子引力理論能解釋最初瞬間的過程。

其實，物理學家一直在追求大一統(tǒng)理論，也就是將支撐現(xiàn)代文明的科學基礎(chǔ)——相對論和量子論——結(jié)合起來。可是這兩者無論在形式上還是內(nèi)容上都大相徑庭。愛因斯坦的相對論述及引力，在描述大尺度宇宙中成效顯著；而量子論描述全部自然力（電磁力、強核力、弱核力和引力），并給出了一幅微觀世界無比完整的圖像。

當1905年愛因斯坦提出相對論時，他把時間和空間纏在一起，稱為時空。運動著的測量者，其測量時空的結(jié)果也不相同，正如“這里”并不意味著同一地方。“現(xiàn)在”的意義也如此。加利福尼亞技術(shù)學院的理論物理學家卡魯說：“我們說的現(xiàn)在，沒有任何方法可使之轉(zhuǎn)移到阿爾法半人馬座上的一個人，使他也稱為現(xiàn)在。”

1916年廣義相對論誕生，該理論認為，大質(zhì)量客體彎曲時空，尺的長度和時鐘的走時，皆跟測量的引力場強度有關(guān)。

而在量子論中，事物顯得更奇怪。例如，一個電子動態(tài)可以用一種波函數(shù)描述，后者是一種處在抽象空間中的數(shù)學形式。我們可以說出波函數(shù)如何在時間中演化，即從一個態(tài)演化到另一態(tài)。但在這幅圖景中，時間本身并非空間的組成部分。至于空間，其性質(zhì)依賴于所測量的對象。一顆繞原子核運動的電子，其波函數(shù)將含有物理性空間的性質(zhì)，諸如電子至原子核的距離。

所有這些矛盾目前正在被揭開。科學界力求把這兩大理論相結(jié)合，以找到一個能在所有尺度上描述存在的偉大理論。

有雄心的嘗試之一是弦理論。該理論認為，時空含有十維（一維時間），額外之維皆小到無法測量的程度。1997年，理論物理學家馬特賽那將極為復雜的弦論十維表達式（含引力）簡化成場處理的四維表達式，也含有引力。

在做如此變換時，一維的時間仍未改變，但空間變成一個在四維世界中的點。卡魯說：“這個例子，十分清楚地表明了空間不是基本的存在，它依賴于你所描述的世界。”

而波奇斯基對上述變換持懷疑態(tài)度。他認為，弦理論中的時空跟我們宇宙中的時空大不一樣，我們的時空在幾何學上幾乎是扁平的，而弦論中的時空僅適于更彎曲的時空，也即這兩者最初與光線平行，然后慢慢發(fā)散。波奇斯基還提出了一個嚴肅的反對理由，即黑洞的暗黑中心連信息都要吞食，對此，量子論是禁止的。可是，量子論認為，在信息逃出黑洞時會在視界邊上遇到一個高能輻射墻。而廣義相對論的看法卻相反，它認為，任何東西路過視界時都不會碰到障礙，只會微微彎曲時空。若想使量子論無損，又否定“火墻”，就得為時空添加一個前提，即沒有任何東西的速度可超過光速。吉丁說：“事實上，正是這一問題的存在說明我們在概念敘述上可能缺失了什么。”

另一種嘗試被稱為環(huán)量子引力理論。它出現(xiàn)于20世紀80年代中期，當時，阿西提卡在量子論的框架內(nèi)重寫了廣義相對論的方程。物理學家斯莫林和魯佛力運用該方程，構(gòu)建了一個帶有平滑結(jié)構(gòu)的時空。在該理論的時空中，若進入10厘米至33厘米這一尺度，你將看到引力場線的環(huán)線之經(jīng)緯。

環(huán)量子引力理論很難應用，不過，它對時空的特性倒是頗有見解。吉丁說：“在計算理論方程中，以普朗克長度為邊的空間首先出現(xiàn)，繼而跳出時間。在可觀測的物理特性之間，時間居后。”這跟霍金等人的看法頗為相似。霍金認為，根據(jù)相對論，時間和空間具有明顯差別，但量子理論可使這兩者的不同性質(zhì)被抹掉。在越來越接近宇宙始點時，時間就越具有與空間維度類似的特性。這種轉(zhuǎn)變并非出于突然，而是通過測不準原理使時間的特性變得越來越模糊——時間并非突然涌出，而是從空間中逐漸滲出。

此外，吉丁還觀測了時鐘在不同的場（如引力場和電磁場）中走時的變化，兩種情況有所不同。他認為，時間和空間似乎是從更深層次的某種東西中涌出的，“但不知怎么的，空間好像首先涌出，而時間是從被觀察的不同物理系統(tǒng)間的關(guān)系中跳出的”。

可是，我們至今都不知道那個涌出時間和空間的、更深層次的東西究竟是什么。持有此看法的人并非吉丁一人。在弦理論的研究中，馬特賽那也有類似的直覺。他說，空間是自然發(fā)生的，而相對論說空間和時間是相互纏住的。“在許多例子中我們看到，首先出現(xiàn)的是空間，而時間再滲入空間。無疑，時間也是必將出現(xiàn)的。”

根據(jù)吉丁的計算，空間的概念也能從不同的物理位置上涌現(xiàn)出來。他說，這種空間概念也能跟系統(tǒng)的動力學性質(zhì)聯(lián)系起來，就如時間那樣，所以兩者皆非最本源的東西。

波奇斯基也在思考相對論的光速不變說。在他看來，這給了時空一個參照系，光線總是在一個“空間—時間單元”中運動。若畫出一幅時間相對于空間的圖像，那么光線就是該圖上一條不變的對角線。

波奇斯基說：“光線射入的方向既不是時間，也不是空間，我們稱之為‘無（null），它處在空間和時間之邊。有些研究者有這樣的直覺：從某種意義上說，這些‘無的存在，可能要比空間和時間更為根本。”

在我們追求一個更偉大的理論時，是否有什么思想或直覺，把我們導向某個地方？目前物理學中的僵局，有點類似20世紀早期，當時愛因斯坦的相對論尚未出現(xiàn)。正是他，把時間和空間聯(lián)系在一起，成為時空。今天我們在前進中似乎遇到一個類似的難題，有許多存在的途徑可導向不同時間和空間的世界，而我們迄今只有很少一點線索可資證實。也許只有更加天才的科學家，才能給我們答案。