從絕對時空到量子泡沫

在人類試圖理解宇宙的漫長旅途中，時間和空間一直是最基本的概念。我們生活在一個由時間和空間構成的舞臺上，所有事件在這個舞臺中發生和展開。隨著物理學的發展，時間和空間的本質和關係也在不斷被重新定義。這個探索歷程從牛頓的絕對時空，到愛因斯坦的相對論，再到現代物理中的量子和宇宙學。什麼是量子泡沫？為什麼施一公院士說“時間並不存在”？我們來一起揭示這個充滿奧秘的時空圖景。

從絕對時空到相對時空

17世紀，牛頓提出了經典的時間與空間觀念。在牛頓的理論框架中，時間和空間是完全獨立且絕對的存在。時間如一條均勻流逝的線，在任何條件和位置下都保持一致；空間則是一個無限延展的容器，其中物體自由地運動。時間和空間構成了一個不受物體或事件影響的舞臺，所有的物理現象都在其上演。這一觀念不僅奠定了經典物理學的基礎，也形成了機械宇宙觀的核心，認為宇宙如同一個巨大的時鐘，由物體和力的相互作用所推動。

在相對論提出之前，牛頓的絕對時空觀得到了廣泛認可，尤其是在其著作《自然哲學的數學原理》中，牛頓對絕對時間和絕對空間的觀點做了系統闡述。在牛頓的力學體系中，慣性系被定義為相對於絕對空間靜止或做勻速直線運動的參考系，伽利略的相對性原理在牛頓的絕對時空觀框架下得到了進一步闡述和發展。伽利略變換描述了不同慣性系之間的空間和時間轉換，表明在不同的慣性系中，時間和空間的尺度保持不變。換言之，時間和空間不僅絕對，同時性也是絕對的——若在一個慣性系中兩個事件被觀測為同時發生，則在所有慣性系中皆為如此。

為論證絕對空間的存在，牛頓設計了一個著名的物理實驗，牛頓桶實驗：現有一個盛水的桶，最初桶和水都靜止時，水面是平的。隨著桶開始旋轉，水與桶尚未同步轉動時水面仍保持平坦；當水逐漸隨桶同步轉動時，水面呈現凹形。即便桶最終停止轉動，水仍會繼續旋轉，且水面保持凹形。牛頓認為，水面呈凹形是由於水相對於絕對空間的旋轉所引起的慣性，說明水的運動狀態取決於某個絕對參考系，從而支持了絕對空間的存在。

圖 牛頓桶實驗

19世紀，麥克斯韋的電磁理論再次推動了物理學的發展。他通過方程組將電、磁、光統一起來。然而，當時物理學界普遍認為電磁波需要乙太作為傳播介質，這一理論存在一個關鍵問題：如果地球在乙太中運動，那麼地球移動方向上測得的光速應該有所變化，就像在逆風中行走速度變慢一樣。科學家們試圖通過邁克爾遜-莫雷實驗來證明地球與乙太間的相對運動，這是邁克爾遜和莫雷試圖驗證的出發點。

1887年，美國物理學家阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷設計了一個精密的干涉實驗，稱為邁克爾遜-莫雷實驗。實驗裝置主要包括一個干涉儀，它將光束分成兩條路徑，一條沿著地球公轉方向，另一條垂直於地球的運動方向。通過比較兩條路徑的光程差，他們試圖檢測地球在乙太中的運動，即所謂的乙太風。

根據乙太假說，如果地球在乙太中穿行，沿地球運動方向的光速應該變慢，而垂直方向的光速保持不變。實驗的設想是：當兩個光束重新匯合時，會產生一定的干涉條紋偏移，表明光速受地球運動影響。然而，實驗結果卻完全出乎意料——兩條光路的光速並沒有任何顯著差異，干涉條紋也沒有發生預期的偏移。這一結果表明，無論地球是否在運動，光速似乎是相同的。但實驗結果卻表明光速不變，與地球的運動方向無關。這一發現與伽利略變換產生了衝突，因為根據伽利略變換，不同慣性系中的光速應隨相對運動而變化，麥克斯韋的電磁理論在這一矛盾中站在了傳統經典力學的對立面。

圖 邁克爾遜-莫雷乙太風實驗

直到20世紀初，愛因斯坦的相對論出現，徹底顛覆了絕對時空的傳統觀念，解決了上述衝突。他提出，光速不變，且在任何慣性系中皆為常數，這一原理奠定了相對論的核心。

愛因斯坦通過狹義相對論指出，時間和空間並非獨立的，而是密切相關並構成了一個四維的時空整體，每一個物體在宇宙中的位置不僅僅由三維空間座標決定，還包括了時間座標。在他的理論中，時間和空間不再是固定不變的。隨著物體速度接近光速，時間在觀察者看來會變慢，空間也隨之收縮。愛因斯坦引入這一框架，賦予時間和空間統一的性質。

前文提到，狹義相對論的一個核心假設是光速不變原理，即無論觀察者的速度如何，真空中的光速始終恆定不變。這個原理對於時間膨脹和長度收縮現象至關重要。無論觀察者是否相對於光源運動，測得的光速總是相同。

愛因斯坦還提出了相對性原理，即物理定律對所有慣性參考系都是相同的，不會因為觀察者的運動狀態而改變。相對性原理與光速不變相結合，解釋了為何時間和空間會隨速度變化。這種現象表明時間和空間是相對的，依賴於物體的運動狀態。於是更進一步，在廣義相對論中，愛因斯坦揭示了引力的本質。引力並不是物體間的吸引力，而是由品質扭曲了周圍的時空。可以將時空比作一張緊繃的橡皮膜，當一個品質較大的物體放置在上面時，橡皮膜會下陷形成一個凹陷，而其他較小的物體則順著這一凹陷滑向大品質的中心。

量子泡沫

根據前文，在相對論中的描述，我們把視之為一個光滑、連續的四維結構，既可以描述天體的運行，也適用於物體在巨集觀空間內的運動。但隨著量子力學的興起，在微觀尺度的量子世界，科學家發現時空的本質卻顯得遠比我們想像的還要複雜神秘。

量子力學的核心之一是海森堡不確定性原理，也就是我們無法同時準確測定一個粒子的速度和位置。可以這樣理解，在日常生活的尺度上，空間是可以精確測量的，位置也似乎是固定的。但在量子尺度，位置和速度的測量受到限制，粒子的行為也呈現出不確定性。這種特性在微小的時空尺度上意味著，空間也可能充滿波動，不再是靜止不動的，而是不斷變化、極為活躍的。這種現像是巨集觀物理學無法描述的，但在量子物理中，它卻是不可忽略的基本性質。

在這種不確定性背景下，科學家們提出了量子泡沫的概念。當我們觀察極小的時空尺度時，空間並非如巨集觀世界那樣平滑，而是呈現出類似泡沫的隨機波動。這種泡沫由許多短暫生成和迅速湮滅的微小粒子和能量構成，形成了一個動態的結構。這就像在大海的表面上看到的波浪，儘管水面整體上是連貫的，但在特定的時空點上卻存在著不斷生成和消失的浪花。

科學家進一步推測，時空在量子水準上的表現或許是一種複雜的動態網路，而我們觀察到的平滑時空只是其在巨集觀尺度上的表現。類似於海洋中的波浪在遠觀時顯得連綿不絕，而微觀觀察則會發現無數湧動的水分子，量子泡沫展示了時空的基本組成可能是一個極為活躍的網路結構。這種量子泡沫現象不僅是量子力學的一個推測，也是連接量子物理與廣義相對論的一個重要線索。愛因斯坦的相對論成功描述了巨集觀天體之間的引力關係，但在微觀層面如何統一量子力學與引力理論，仍是科學界未解的難題。量子泡沫被認為是量子引力的一個表現，這意味著在極小的尺度上，引力也可能以一種全新的方式起作用。如果這些理論能夠得到進一步的驗證，那麼量子泡沫或許會成為科學界理解時空的一個關鍵元素。

轉載自：科普中國創作培育計劃