穿越时空:结构与秩序

人文 2021-10-09 05:00

文 / 郑磊

古希腊哲学家亚里士多德是第一个深入探讨“空间”或“位置”含义的人,他指出:物体的位置是指其周围有什么。人们对于空间和时间的认识是逐步深化的,《空间简史》正是一本介绍人们空间认知过程的小书。作者托马斯·马卡卡罗是意大利的一名物理学家,因为时间和空间本身就属于最基本的物理学概念范畴。

人类最先对空间和时间的理解,可能是这样的:当我们站起身时,能够感受到一个物体和我们在高度上的差异;当我们以九十度角伸展双臂时,能够觉察到这个物体与我们左右手的距离。这就是(三维)空间感,它来自物体相对我们身体的位置变化。眼睛让人类建立了第四个维度,也就是时间。阳光透过眼睛作用于身体各个部分,建立了人体生物钟,人们逐渐养成了日出而作、日落而息的生活节奏。一个完全的人就是一个“时空统一体”。人生天地间,随着地球一起绕太阳转动和自转。打个不很准确的比方,我们可以将地球上的人当作地球的“同步卫星”,他们的轨道高度从0米到36000公里不等。

根据爱因斯坦的狭义相对论,在不同高度的时间快慢不同,越高则时间过得越慢。当然,这个差异必须在高度差很大时才能感知到。而爱因斯坦的另一个推论是运动速度也会影响时间的快慢。这样就通过高度、静止或运动将空间位置与时间统一起来。换言之,从物理学和生物学角度说,每一个时刻的你,都是崭新的全然不同的你。

从个人到宇宙,是人类对空间认识的扩展和深化过程。这本书按照时间顺序介绍了不同时代的学者对宇宙的研究成果,涉及到天文学、制图学、光学、数学等学科。人们用裸眼和地球上的时间概念就可以看到遥远太空中的星体,比如距离我们有两百万光年的银河系外的仙女座星系。越来越多的发现表明其他星球上可能存在着复杂生命,利用德雷克方程,我们可以估算出来。“人类中心说”是狭隘的,天文生物学一直在努力寻找地球之外的生命。同时,人类也在茫茫太空中,寻找着另一个可以居住的家园。

按照人类现有知识,宇宙诞生于140亿年前,大小约460亿光年,而且还在不断膨胀变大。这是人类目前知道的边界,但其实宇宙很可能没有边际。按照我们的知识体系,宇宙中除了可以看得见的物质之外,还应该有看不见的“暗物质”,而且明物质只占暗物质的20%左右。除了符合守恒定律的常规能量,还可能存在“反能量”。这些新思想正在成为粒子核子物理学进一步发展的“养料”,为现代物理学开辟了一个全新研究领域。

我们生存的这个宇宙,是一个巨型空间,地球只是其中一个很微小的星球,可能是宇宙生成过程中一个偶然结果。除了这个宇宙,学者提出多元宇宙的观点,比如沙普利认为可能存在10^500个宇宙,之后这个估计数字很快被提高,比如10的10次方的16次方,也许与我们这个宇宙平行存在着无数个宇宙。我们只是在用自己的眼睛(加上天文望远镜的辅助)认识到的时空结构在观察明显比地球广阔得多的地外空间。很可能这种结构本身限制了我们的理解能力(井底之蛙的既视感),因为有多少个宇宙,就可以对应有多少种时空结构。

按照我们理解的时间结构,“现在”是一个相对特定对象的局部事件。而对这个特定对象而言,“过去”和“未来”像两个尖端相对的圆锥体,两个尖端的交点就是现在。光沿着锥体的边沿行进,所以我们的时间结构就像一个“光锥”。这个特定对象总向着未来前进,却有可能回到时空中的同一个点(或最初的事件),这个结论很类似佛经提到的“轮回”。我们的时空结构还是一个“引力场”,由于引力存在,会发生时空“弯曲”,使得“光锥“倾斜。爱因斯坦通过这种方式兼容了亚里士多德和牛顿看似相互矛盾的时空观。随着量子力学的发展,我们这个时空似乎还存在着一个具有量子特性的结构。理论物理学由此出现了弦理论和圈理论。本书作者就是后一种理论的支持者。也许爱因斯坦相对论确立的时空观最终也会被另一种更全面的理论替代,也可能在量子如此微细的空间里,存在着另一种时空结构,这种时空结构完全可以和我们生活的时空相对独立地共存。人类对时空结构和秩序的不懈探索,将让我们有希望看到更多种类的时空结构,我们的生存空间也因此得以拓展。

(编辑:杜尚别)