第四节：宇宙的背景——时空深度

惠勒质朴性原则与时间观念

惠勒是现代物理学方面很重要的人物，他提出很多具有哲理性的思想，并提出很多被现代物理学广泛使用的概念。比如：他最早提出了黑洞的概念；他引入了极小的距离和极短时间的普朗克尺度，并提出了普朗克尺度下量子不确定作用于本身产生的“量子泡沫”。惠勒提出“一切源于信息”，认为真实的世界基础都源于信息。惠勒也提出了真子，真子是光子高密度集中以至于全部光子绕着共同中心转动，没有任何物质实体，这些光子是通过自身引力保持轨道运动的。经过计算，一个最小的纯经典真子具有炸面圈的拓扑结构，其尺度相当于一个太阳，质量是一亿个太阳的量级。而大真子，原则上可以大到宇宙的尺度，一个宇宙可能就是一个真子。

相对论和量子论这两个二十世纪上半叶最伟大的两个物理学理论至今不能融合，这本身也是一个悖论。作为为数不多的同时对量子论和（广义）相对论有深入研究的物理学家之一，惠勒同时进行着几个层面的思考，他提出很多有意义的思考，既考虑物理学本性的二阶问题，也构想未来物理学可能的基本因素。他提出了关于未来物理学的“三个问题”，即：存在如何？量子如何？观察如何创造？下面是几个有意义的例子：

变易性：从物理学结构上，惠勒构造了一个变易性的阶梯。这个阶梯的最下层是最古老的弹性定律，弹性定律假设密度是不变的常量，而在我们能够产生足够的压力之后，密度就成为变量。化学价曾被认为是原子的固有属性，可以用来为原子排序，于是有门捷列夫元素周期表，但是原子核嬗变使这一条也发生了变化。每一条物理定律，都在某种物理条件的极端状态下被突破、被超越。依此类推，惠勒认为一切定律都具有变易性，都不可能是不朽的，而宇宙本身也有生有灭。

物质和定律的物理学：惠勒认为麦克斯韦时代的物理学是物质的物理学，这时物理学的目的是寻找构成物质世界的基本单元，把物理学的基础建立在更基本的粒子之上。而此后的物理学则是定律的物理学，具体的物理粒子成为理论本身的建构结果，不再基本。惠勒力图把更多的物质转化成定律，惠勒阐述的“没有物质的物质”和“没有电荷的电荷”都是这种思想的表现。

推出时间、量子和连续性：既然物质和电荷都可以从物理学自身的结构中给出，惠勒大胆地猜想，现在从物理学之外给入的时间将来也可以从物理学中推导出来，由绝对的量变成近似的量，由基本的量变成导出的量。正如光速曾经是外来的、绝对的量，后来则成为导出的量，近似的量。事实上，惠勒希望把所有外来的量，乃至把物理学本身建立在观察之上，希望从最质朴的观察出发，给出量子的定义、时间的定义，并解决数学连续性和物理的分立之间的矛盾问题，这就是所谓的物理学的质朴性。

宇宙的时空

牛顿的时间观念：牛顿认为空间与时间是宇宙永恒不变的元素，它的原始结构没有疑问，也不需要解释。时间是与任何外在物无关的绝对空间，就其本质而言，总是保持着相同的不动，与任何外在无关的绝对真实和数学的时间；就其自身和本性而言，总是相同的流逝。

由于爱因斯坦的研究，爱因斯坦发现空间与时间是不可分割的，时间与空间交织在一起组成一个平滑时空，物体在空间的运动，会影响它的时间表达。而宇宙大爆炸学说的重要支持证据之一，就是来源于相对论的方程。

物理学家认为，要求光速在所有参考系中相同，麦克斯韦的电磁学理论要求时间不能视为与三维空间分开，时间与空间反而是纠缠的，时间随观察者的速度变化，摆脱了传统绝对时间与绝对静止的概念。

在广义相对论里，时空不像原来那样平坦，而是被处于其中的质量与能量弯曲或变形。在没有物质时，四维时空中的测地系对应于三维空间的直线，然而当物质存在时，物质的质量使时空变形。这好比在一个皮膜上放上一个重物，皮膜受力出现凹陷一样。地球、太阳这样的物体在相应的平滑时空里造成弯曲，当时空不平坦时，围绕大质量天体运动的物体还是一直做直线运动，由于路径被弯曲，物体做出圆周运动，造成达到有一个力作用在它们之上的印象。

中国一句著名的谚语，一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴，这是对时间最好的诠释。当我们躺在床上看书的时候，偶尔我们会抬头看看墙上的挂钟或者手表以确定时间，无论对于谁来说，时间总是在不停的流逝。日出日落，年复一年，无论你静止还是你运动，无论对于动物还是植物，无论是量子还是太阳与银河系等。除了光，我们及周围一切事物都会变老，不可避免的时间继续流逝，万物不停地在时间里向前走。正是爱因斯坦，发现了时间与万物的联系，并总结了这个规律——我们的宇宙万物时间与空间纠缠一起，不可分割，无论物体是静止还是运动，万物以相同的速度在宇宙时空里行走，这个速度就是光速。

汽车在行驶过程中，有时候并不是直线行驶，比如可能是从东北方向向西南行驶。那在坐标系里，汽车的行驶可以分解为两个维度，从北向南，与从东向西两个方向。而飞机从起飞到沿着航线飞行则涉及到三个空间维度的坐标分解。不只是物体在三维空间的不同角度里能够运动，时间维也能“分享”运动。实际上物体运动的大部分是在时间里度过的，而不是空间里。人们确定事件，除了说出那个地点的空间位置，还要确认时间。人们习惯了日常周围的物体低速运动，这只是人们的相对认识，因为人们往往把空间速度考虑进去，但是忽略了物体在时间中的流逝与运动。其实所有的物体都在一个四维宇宙里（三维度空间加一个时间维度）里有一个组合速度，这个速度正好等于光速。当人或者物体静止的时候，时间不会停下来，其实这个人或者物体，还是无情的在时间维度里以光速运动、衰老。爱因斯坦发现，宇宙的一切事物总是以一个固定速度——光速，在时空里运动。正如飞机的航行与行使的汽车一样，它们的速度同时可以在四维空间的不同空间维与一个时间维里分解。如果汽车静止，我们就说汽车只在一个维度里——时间维度里独自以光速运动。按照相对论，所有相对我们静止，或者互相相对静止的所有物体，都在一维时间里运动，以完全相同的节奏衰老。如果物体在三维空间里运动，按照相对论观点，那么就一定有运动从时间维度转移到三维空间里来。运动从时间维度转移到三维空间就像我们日常习惯认为汽车在车道上，不同方向分解运动一样，物体的运动转移说明一部分运动从时间维度里转移到空间里了。因为物体在时间维度里光速运动被分享了，反而导致物体在时间维度里运动变慢了。相对论认为，正是这种原因，导致原子在时间里部分运动转移到空间来了。太空中高速运动的放射性原子衰变变慢了，是因为物体在三维空间的运动只是表明了有多少运动从时间维里发生了转移。

按照相对论时空交织、纠缠，物体在三维空间里运动有一个极限，如果物体在时间维度里的运动完全转移到空间，那么最高速度只能是在时间里的速度——光速。物体在时间里以光速运动，完全变成在三维空间里的运动，时间里的运动被完全转移了，所以光速运动的物体的寿命反而延长到无限了。光速也成为了最高速度，物体运动越是接近光速的时候，往往越需要接近无穷的能量。从宇宙大爆炸发出的光子，按照相对论理论，到现在也仍然没有变化，光子还是原来的样子，光子的时间没有流逝。这种特性也成为现代物理学的天文探测与研究的基础。

霍金在《大设计》里讲到：“正如静止的概念，时间不能是绝对的，在广义相对论里，由于对于不同运动的观察者来说时间是不同的，两个相互运动的观测者时间不一样，在日常生活中，正常遭遇的速度上的含义是不能觉察到的。”同时霍金指出：“有人支持时间回到宇宙大爆炸之前的模型，目前还不清楚回到宇宙大爆炸之前的模型是否能解释现代的观测，因为宇宙演化的定律似乎在大爆炸处崩溃了。如果出现这种现象，那么创造一个包含宇宙大爆炸之前的模型似乎就没有意义了，因为那时存在的东西对于现在没有可观测到的结果，如此我们不妨坚持大爆炸是世界创生的观念。”

霍金认为虽然爱因斯坦广义相对论把时间与空间结合起来认为不可分割，诞生时间仍然不同于空间，而且要么具有开端与终结，要么无限的流逝。然而在极端微小尺寸范围内，由于量子效应，时间与空间出现疯狂的涨落。

支持宇宙大爆炸的科学家们认为，当早期的宇宙在宇宙小到足够让广义相对论与量子论一起制约于一个点之时，时间并不存在。对弦理论做出很大贡献的物理学家格林在《宇宙的琴弦》里讲到“弦理论者认为，在宇宙原始状态中，在形成宇宙结构的弦跳起那整齐的相应的舞蹈之前，并没有空间与时间。我们的语言还不足以精确把握这些思想，因为事实上那时连以前的概念都没有。一根根的弦似乎是空间与时间的碎片，只有当它们经过恰当的共振，才可能出现传统的空间与时间的概念。（时间作为宇宙的一个维度，与若干空间维的宇宙中演绎弦理论的物理性质，这些空间维有一定数量是展开的，通常是三个，其他的都卷缩起来。）弦理论的胜利在于它自然融合了量子力学和引力，而引力受空间与时间形式的约束。”格林认为：我们不应该强迫一个理论在已经存在的时空框架里运转，就像应该让画家在空白的画布上开始创作一样，我们应该让弦理论从没有空间和时间的混沌状态开始为自己创作时空的舞台。

格林写到，我们希望从零点开始，可能是大爆炸以前或者以前的某个时刻，理论所描写的宇宙将在演化中形成弦相干振动的背景，产生空间与时间的传统概念。这个框架如果实现了，将证明空间、时间和相关的维不是决定宇宙要素的根本，它们不过是从更基本更元素的状态涌出的方便记号。

弦理论认为，时间也是一个卷曲的弦，与其他弦一起以合适的方式隐藏在空间，我们无法看到这些丝线，展开的就是我们看到的三维空间，上下、左右。弦理论者认为在普朗克长度以下（10-35米），空间与时间就失去了传统意义。

而对于黑洞来说，由于光无法逃脱，时间与空间压缩为一点。而当空间小于普朗克尺寸后，就会出现沸腾的量子泡沫现象，时空混杂了。

错失的时间

质子的寿命为1033年以上，还有人认为质子寿命接近永恒。由于试验室测量的最短距离10-18米，光走过此距离相应的最短时间为10-26秒，宇宙的寿命大约为137亿光年，那么约为1018秒。质子寿命若如此之长，那么谁能回答早在我们宇宙诞生之前，这些基本量子是否早就存在呢？

对于地球生命来说，人们在夜晚沉睡的时期时间似乎轻易流失了，第二天人们感觉时间似乎在睡梦中过的很快。熊冬眠时期，一觉醒来已过了一个冬天。人体胚胎可以被冷藏十年，而很多细菌在冰封或者极端环境下可以沉睡几千万年而能复活。俄罗斯科学家最近解冻一颗三万年前的植物种子，结果种出花。对于沉睡的生物来说，时间如何定义呢？

当一个人在沙漠里时，如果是阴天，如果没有指南针，那么他就会迷失方向，因为没有太阳作为参考。一个记录片里，北极附近的国家挪威有一个城市，因为石油等自然资产丰富，人口大约十万左右。但是每年都要经历几个月漫长的极夜，就是这几个月里都是黑夜，分不清黎明，也分不清黑夜，人们只是依赖时间判断是应该送孩子上学还是应该上班。在那里有很多人得了一些抑郁症，也闹出很多真实的笑话——居然有人半夜三点去银行排队。在这样的环境下，人们已经对时间失去了敏感性，就像阴天沙漠中迷失方向的人一样，也会迷失时间。人们除了依靠现代时钟的提示根本无法判断是什么时间。如果再极端些，如果一个人在太空中，没有星光作为参照，那么对于这个人来说，除了自我的衰老，时间都毫无意义了。

理论界对于宇宙时间的思考从来没有停止过，围绕宇宙的诞生、成长和毁灭这个话题，科学的其他领域已经给了许多假说。宇宙必定是有开端的，数学家们已经通过演算证明宇宙一定有一个起源，但是否生于大爆炸尚不可知。一些科学家信奉大爆炸理论，另外一些则认为我们一直生活在一个稳定的状态下，时间没有开始也没有终点。

两位来自马萨诸塞州塔夫茨大学的宇宙学家奥德丽·米萨尼和亚历克斯·维连金最近在新的数学论文里陷入了瓶颈，论文的内容是永恒的数学，他们在论文中所持有的观点就是宇宙无始无终。

大爆炸理论也分了两个派系，一种认为宇宙一直以恒定的速率膨胀着，另一种认为宇宙在一定时间内就是一个点，然后突然膨胀成现在这个样子。而事实证明，恒定膨胀学说只适用于某些种类的宇宙，而现在的宇宙应该有一个起点。他们的论文里对此进行了论证，不过简单来说就是：尽管以后宇宙可能会无限膨胀下去，但是它不可能从一开始就一直膨胀着。他们用量子力学的方法证明宇宙无法找到起点，因为那样的话，宇宙根本无法逃避量子崩溃。他们发现，无论哪种宇宙模型都必须在宇宙有起源的前提下才可以存在。