时空由什么构成?万有引力和相对论之间有什么关系

伤我心太深

     光、万有引力和相对论


　　爱因斯坦有两个著名的贡献，一个是在1905年提出了狭义相对论，一个是在1915年提出了广义相对论。此后，爱因斯坦利用广义相对论的方程式(爱因斯坦场方程)进行计算，提出宇宙具有有限、无界、静态的特点。然而，起初爱因斯坦使用的方程式是Rμν-(1/2)gμνR=κTμν，根据这个方程式计算得出宇宙其实并不是静态的，而是会有膨胀或收缩的现象发生，爱因斯坦认为这种现象是不可能发生的，宇宙一定是静态的，于是，他在方程式中添加了一个“宇宙常数”，使方程式变成了Rμν-(1/2)gμνR+Λgμν=κTμν，这样一来，宇宙就在理论上静止下来了。


　　爱因斯坦的“静态宇宙”理论先后遭到多位科学家的质疑。1922年，苏联宇宙学家弗里德曼在广义相对论方程式的基础上，提出宇宙必定会膨胀的说法，他认为，爱因斯坦在方程式中擅自添加修正项的做法并不可取。1927年，比利时宇宙学家勒梅特同样根据广义相对论方程式计算出宇宙会膨胀，并发表论文解释自己的研究成果。1929年，美国天文学家爱德温·哈勃根据自己的观测数据，证实了宇宙的确正在膨胀。在众人多次的反对以及事实证据面前，爱因斯坦也承认自己确实是犯了错误。




　　关于时间与空间的一切问题，我们都需要通过光来了解。从前，人们认为，我们之所以能看到东西，是因为光线从我们的眼睛里射出来，碰触到物体后，再返回到我们的眼睛里。但阿拉伯物理学家穆哈默德·海什木认为，天上的星星距离我们那么遥远，光线不可能在如此短的时间内往返，让我们可以那么快就看到它们。海什木通过观察和测量小孔中穿过的光线，发现光线是沿直线传播的;并且通过实验证明了光线进入人眼，才会产生影像;他还发明了暗箱，以解释自己的理论。后来，人们根据海什木的理论发明了望远镜，拉近了人类和宇宙之间的距离。


　　光有着独特的属性，光的基础微粒被称为“光子”，光的运动速度也就是光速，任何其他速度都不可能超越光速。当其他粒子运动时，速度越接近光速，受到的阻力也就越大，根本无法达到光速，更不用说超越光速了。也就是说，没有任何事物能够比光移动得更快。我们知道，声波需要媒介才能传播，但光波不需要媒介，即使在真空中也能传播，因此，光可以在宇宙中自由穿梭，速度比声音在空气中的传播速度快100万倍。


　　牛顿发现，太阳光是由不同颜色的光混合而成的，威廉·赫歇尔在这一发现的基础上进行实验，比较不同颜色的光所产生的能量有什么不同。他把几支温度计分别放在一束光中不同颜色的光线内，又把一支温度计放在旁边光照范围以外作为参照物。实验结果超出了赫歇尔的预想，他不仅发现了不同颜色光在温度上的差异，还发现参照物温度计居然比其他温度计显示出更高的数值。就这样，赫歇尔发现了这种不可见光，也就是红外线，我们看不到它，但可以感受到它的温度。除了红外线，不可见光还包括X射线、γ射线、无线电波、紫外线、远红外线、宇宙射线等，不同的光能够为我们呈现出宇宙中不同的物体和景象。


　　不久之后，德国物理学家约瑟夫·夫琅和费利用棱镜将太阳光中不同颜色的光线进行区分。光在太空和空气中传播时，不同颜色光线的传播速度是一致的;但当光线到达棱镜时，光线方向就会发生改变，不同颜色的光在棱镜内的运动速度不同，光波的长短也就不同，由于光的波长决定了人所看到的光线的颜色，因此利用棱镜就可以区分不同颜色的光。


　　天上的星星看上去很小是因为它们距离我们非常遥远，我们之所以能看到它们，是因为它们本身发出的光芒传播到我们眼睛里，但光线的传播是需要时间的，离我们近的星星，它们的光芒到达我们眼中的时间会短一些，离我们远的星星则相反，有些星星的光芒甚至需要传播亿万年才能被我们看到，因此，我们在这一刻看到的星星，并不是它们在这一刻的真正样子，而是它们以前的样子，这一刻，它们或许早已消亡了。这就是光线传播与时间的关系，这是英国天文学家威廉·赫歇尔最早发现的。


　　根据光线的传播速度与传播时间，我们可以计算出一颗星星与我们之间的距离，当我们计算出天上所有星星与我们之间的距离后，就可以大致清楚自己所在的位置。但宇宙是无限大的，远非我们能够看到的范围，那么，我们究竟处于宇宙的什么位置呢?其实，我们就在宇宙的中心。这个说法会不会很奇怪?因为我们早已知道地心说是错误的，但当我们看向宇宙时，却能够发现自己的确处于宇宙地平线的中心。事实上，无论我们站在宇宙的哪个位置，无论是地球、太阳系的其他位置、银河系的其他位置、银河系以外的某一点，甚至更远的地方，我们都会发现，我们依然处于宇宙地平线的中心。这其实是视觉给我们造成的错觉，宇宙是没有地平线的，宇宙无限大，它没有一个中心，因此也可以说，无论哪里都是它的中心，那么宇宙空间必定是扭曲的，既然如此，时间也必定是扭曲的。




　　在宇宙诞生的初始阶段，光速是受到限制的，随着恒星和星系开始点亮宇宙，漫长的黑暗时期结束。此后，宇宙不断膨胀，一代又一代的星星诞生又消亡，大量元素释放出来，形成各种天体以及生命。这一切都源于宇宙大爆炸，从那一刻开始，时间和空间有了真正的意义，各种力量开始发挥作用，其中就包括万有引力。牛顿通过万有引力定律对行星之间的运动规律做出解释，此后，赫歇尔对这一理论进行了补充，他认为，这一定律不仅适用于相距较近的行星之间，还适用于相距较远的恒星之间。


　　牛顿虽然发现了万有引力定律，但他也搞不懂引力在相距非常远的物体之间是如何发生作用的，他将这个问题称作“超距作用”。19世纪，英国物理学家迈克尔·法拉第发现电磁力可以改变光线的方向，由此发现自然界存在着光、电、磁三种力量的联结。此后，他通过铁屑实验，发现磁铁和电流周围存在着一种磁力场，这种磁力场遍布我们身边的空间中，而且连续不断。因为整个地球就是一块大磁铁，地球内部存在着液态的铁，随着地球的自转而围绕地核旋转，释放出来的磁力沿地轴从北极向南极穿过，再从地球外部由南极回到北极，就如同电流在线圈中的运动方向一样，形成了不断循环的磁力场。他把这个发现扩展到宇宙空间中，认为两个相距很远的物体，它们之间看似没有实际接触，但其实它们各自的力场却是相连的，他将这种力场称为“电磁场”，这恰好能够解答牛顿的困惑。然而，由于法拉第没有接受过基础教育，因此无法用数学公式来描述自己的发现，也就无法证明自己的理论。




　　19世纪中期，英国物理学家麦克斯韦阅读了法拉第的论文后，十分认同他的理论，于是将其转化为方程式，而且，他还发现这个方程式中存在着不对称性，于是在其中加入了一个单项，让方程式得以平衡。这样一来，他发现磁场不再是静态的，而是一种能够向外传播的波，而波的传播速度恰好就是光的传播速度，我们看到的、听到的，以及一切信息的传播，都是波的功劳。
　　19世纪末到20世纪初，爱因斯坦在牛顿、法拉第、麦克斯韦理论的基础上，开始思考有关光速的问题：如果运动的速度达到光速，甚至超过光速，那么前辈们所认定的这一系列真理，是否就有了矛盾之处?他认为，物体在高速运动时，会遵循一定的规律，爱因斯坦将其称为“相对性原理”。宇宙中的一切物体都是运动的，两个物体之间的运动是相对运动，相对运动的速度无论快慢，都不可能改变物体本身的运动速度，而光速是物体本身运动速度的极限，一切速度都不可能超过光速。



　　理论物理学对时空起源的探索：时空从哪里来?



　　时空从哪里产生?由什么构成?是来自低维世界的全息投影，还是各种关系作用下的因果集合?许多研究人员认为，物理学不仅要能解释时空的表现，还要能解释时空本质的起源，否则物理学的任务就不算完成。





　　“想象一下，假如有一天你醒来，发现自己生活在计算机游戏里。”加拿大英属哥伦比亚大学物理学家马克·范拉姆斯东克说。这听起来像是科幻电影的情节，但这正是他对现实的一种理解方式。如果这是真的，那“我们周围的一切——整个三维的物理世界——就是一场幻觉，由来自某个地方的二维芯片上的编码信息所产生的幻觉”。这构成了我们的三维空间宇宙，一种从低维底片上发出的全息投影。


　　即使拿通常的理论物理学标准来衡量，这种“全息理论”也相当奇怪，但范拉莫斯东克是少数前卫的研究人员之一，他们认为通常的理论尚不够奇怪。无论是现代物理学的两大支柱——广义相对论和量子力学(广义相对论把万有引力作为一种时空弯曲，而量子力学是原子领域的统治法则)，还是描述基本一维能量线的弦理论，都没有对时空本身的存在给出任何解释。如果没有其他的，这种“全息理论”也不失为一种解释。


　　范拉姆斯东克和他的同事们认为，物理学如不能解释时空是如何以及从哪里产生的，它的任务就不算完成。时空可能从某种更基本的东西产生，这种东西尚未命名，至少需要构造一个像“全息”那样大胆的概念。他们认为，这种从根本上对现实的重新定义，是解释黑洞核心那个无限致密的“奇点”怎样扭曲了时空构造的唯一方式，这超越了所有的认知。或者说，研究人员怎样才能把原子尺度的量子理论和行星尺度的广义相对论统一起来，有一个东西长期阻碍了理论学家的构建工作。

　　“所有的经验都告诉我们，我们对现实不该有两种显著不同的构想，它必然是一个庞大的包含所有的理论。”美国宾夕法尼亚大学物理学家阿贝·阿什特卡说。
　　找到一个庞大的理论是一项艰巨挑战。为此，《自然》杂志探索了现代几种较有前途的前进路线——一些新兴的观点以及对它们的检验。


　　热力学万有引力


　　人们可能会问的一个最明显的问题是，这种努力是否徒劳?是否真的有某种东西比时空更基本?证据何在?一个令人兴奋的线索来自上个世纪70年代早期取得的一系列不寻常的发现。当时，量子力学和万有引力与热动力学开始紧密结合在一起，这一趋势日益明显。


　　1974年，英国剑桥大学的斯蒂芬·霍金证明，黑洞周围空间存在着量子效应，这使得黑洞向外发出辐射，就好像它很热一样。其他物理学家也很快得出结论，这种现象在宇宙中其实相当普遍。即使在真空里，正在加速的宇航员会感到他自己像是被包围在热水浴中。虽然对目前火箭可达到的加速而言，这种效应太微弱了而无法被觉察到，但这或许是个基本原理。如果量子理论和广义相对论是正确的——这二者都已被众多实验所证实——那霍金辐射的存在似乎是理所当然。


　　第二个重要发现也与此密切相关。根据标准热力学理论，一个物体要辐射出热量必须降低熵值，这也是检测其内部量子状态的一种数量方法。所以黑洞也是如此：甚至早在霍金1974年发表其论文之前，现在以色列耶路撒冷希伯来大学任职的雅各布·贝肯斯坦就曾证明了黑洞拥有熵值。但二者之间还是有差异的。对于大部分物体来说，它们的熵与物体所含原子数目成比例，也就是和体积成比例;但黑洞的熵却与其事件视界的表面积成比例。事件视界是光无法逃逸的界限，这就好像黑洞的表面是其内部信息的某种编码，正像以二维全息编码的形式来表现三维图像那样。





　　1995年，美国马里兰大学物理学家泰德·雅各布森将二者的发现结合起来提出一种假设：空间中的每个点上都有一个微小的“黑洞视界”，并服从熵与面积关系。结果他发现，这样在数学上就变成了爱因斯坦的广义相对论方程——只用了热力学概念，而没有用时空弯曲理论。

　　“这好像涉及到了某种深入万有引力起源的东西。”雅各布森说。尤其是，热力学定律的本质是一种统计表现，即大量原子和分子运动在宏观上的平均，所以该计算结果也意味着，万有引力也是统计上的表现，是对时空的某种看不见的成分的一种宏观近似。


　　2010年，荷兰阿姆斯特丹大学的弦理论学家埃里克·韦林德证明了时空成分的统计热力学——无论它们最终是什么，都会自动产生牛顿的万有引力定律。


　　而在另一项独立研究中，印度浦那校际中心天文与天体物理学中心的宇宙学家萨努·帕德曼纳班指出，爱因斯坦方程可以改写成另一种等同于热力学定律的形式——就像万有引力的许多其他替换理论一样。帕德曼纳班最近正在扩展热力学方法，试图以此解释暗能量的起源及其在宇宙中的量级。暗能量是推动宇宙加速膨胀的一种神秘力量。


　　要想用实验来验证这些想法是非常困难的。就好像水看起来是光滑完美的流体，但如果用显微镜深入观察到能看见水分子的程度，也就是不到1纳米，情况就会完全不同。据此人们估计，时空虽然看起来是连续的，但如果小到普朗克级别，大致是10的负35次方米，比一个质子还小约20个数量级，情况也可能完全不同。


　　但这并非不可能。人们经常提到一种方法可以检验时空的结构是否为离散的，就是寻找高能光子延迟。在遥远的宇宙角落，由某个宇宙事件(比如超新星爆发)抛射出大量γ射线，这些高能光子到达地球可能会产生时间上的延迟。事实上，这些波长最短的光子能感觉到它们所穿越的太空旅途是由某种微小的、崎岖不平的成分构成，正是这种崎岖不平略微延缓了它们的行程。

　　2013年4月，意大利罗马大学量子—引力研究员乔瓦尼·阿麦利诺-卡梅利亚和同事在一次γ射线爆发记录中，发现了这种光子延迟的线索。阿麦利诺-卡梅利亚说，这些结果还不是最后定论，他们打算进一步扩展研究，观察宇宙事件中产生的高能中微子的旅行时间。他说，如果这些理论无法被检验，“那么对于我来说，它们就不是科学，而是宗教信仰，我对此并无兴趣。”

　　其他物理学家也在寻求实验的证明。比如在2012年，奥地利维也纳大学和英国伦敦帝国学院的科学家提出了一项“桌面实验”，实验中用到一种能在激光驱动下来回运动的显微镜。他们认为，当光从镜面反射时，普朗克尺度的时空间隔会产生能探测得到的变化。


　　圈量子引力


　　即使这种理论是正确的，从热力学的角度来看，时空的基本构成也可能什么都不是。姑且这么说，如果时空由某种东西编织而成的，那织造它的“线”又是什么?

　　目前一个还算实际的答案就是圈量子引力(loop quantum gravity)理论。该理论是上世纪80年代中期由阿什特卡等人发展而来，将时空构造描述为就像一张展开的蜘蛛网，网线上携带着它们所通过区域的量子化的面积和体积信息。每根网线的末端最终一定会连在一起而形成圈状——正如该理论的名字——但这与更著名的弦理论的“弦”没什么关系。弦理论的“弦”在时空中来回运动，而圈量子引力的“网线”则构成了时空本身：它们携带的信息定义了周围时空构造的形状。


　　由于这种圈是量子的，所以该理论也定义了一个最小面积单位，非常类似于在普通量子力学中，对氢原子一个电子的最小基本能量态的定义。这种面积量子是大约一个普朗克单位那么大的一个面。要想再插入一根面积更小的“线”，它就会跟其余的“网线”断开。它不能与任何其他东西连接，只好从时空中退出。

　　定义了最小面积带来了一个令人欣慰的结果，就是圈量子引力不能被无限挤压到一个无限小的点。这意味着在大爆炸瞬间以及在黑洞中心，它不会产生那种打破爱因斯坦广义相对论方程的奇点。


　　2006年，阿什特卡和同事报告他们利用这一优势进行了一系列模拟，他们用爱因斯坦方程的圈量子引力版本反演了时钟倒转，以可视化形式展示了大爆炸之前发生了什么：宇宙如预期那样反向演化，回溯到大爆炸时。但在它接近由圈量子引力决定的基本大小极限时，一股斥力进入奇点迫使其打开，成为一个隧道，通向另一个先于我们宇宙之前而存在的宇宙。


　　今年，乌拉圭大学物理学家鲁道夫·甘比尼和美国路易斯安那大学的乔奇·普林也报告了相似的黑洞模拟。他们发现，当一个观察者深入到黑洞核心时，遭遇到的不是奇点，而是一条狭窄的时空隧道，通向空间的另一部分。

　　“排除了奇点问题是一项重大成就。”阿什特卡说，他正和其他研究人员一起辨认那些留在宇宙微波背景上的特征标志。宇宙微波背景是宇宙在婴儿时期迅速膨胀残留的辐射。那些标志则可能是由一次反弹留下来的，而不是爆炸。


　　圈量子引力论还不是一个圆满统一的理论，因为它没有包括任何其他的力，而且物理学家们也还没能说明，正常时空是怎样从这种信息网中出现的。对此，德国马克思·普朗克万有引力物理学研究所的丹尼尔·奥利提希望在凝聚体物理学中寻找灵感。他在物质的过渡阶段生成了一种奇异相态，这种相态可以用量子场论来描述。宇宙可能也经过类似的变化阶段，奥利提和同事正在寻找公式来描述这一过程：宇宙怎样从一系列离散的圈过渡到光滑而连续的时空。“我们的研究还处在初期阶段，还很困难。我们就像是鱼，游在难以理解的时间之流的最上游。”奥利提说。探索的艰难使一些研究人员转而追求另一种更抽象的过程，由此提出了著名的因果集合论(causal set theory)。


　　因果集合论


　　因果集合论由加拿大周界研究所物理学家拉斐尔·索尔金创立。该理论提出，构成时空的“基本之砖”是简单的数学上的点，各点之间由关系(links)连接，每个关系指示着从过去到未来。这种关系是因果性表现的本质，意味着前一个点会影响后一个点，但反过来不行。最终的因果网就像一棵不断生长的树，逐渐形成了时空。“你可以想象为，时空是由于这些点而出现的，就像温度是由于原子而出现的那样。”索尔金说，“但要问‘一个原子的温度是多少?’是没有意义的，要有一个整体的概念才有意义。”


　　上世纪80年代末时，索尔金用这一框架估算了可见宇宙可能包含的点的数量，推导出它们应该能产生一种小的内在能量，从而推动宇宙加速膨胀。几年后，人们发现宇宙中存在一种暗能量，证实了他的猜想。“通常人们认为，从量子引力做出的预测是不可检验的，但这种情况却可以。”伦敦帝国学院量子引力研究员乔·汉森说，“如果暗能量的值更大，或是零，因果集合论就成为不可能。”


　　虽然很难找到支持证据，因果集合论还是提供了其他一些可检验的预测，一些物理学家利用计算机模拟得到了更多结果。其中一种理论观点可追溯到上世纪90年代初，大致上认为，普通时空由某种未知的基本成分构成，这些成分是微小的块体，淹没在混乱的量子涨落的海洋中，随后这些时空块自发地粘合在一起而形成更大的结构。


　　最早的研究是较令人失望的，荷兰内梅亨大学物理学家雷内特·罗尔说。时空的“基本之砖”是一种简单的超级金字塔，即三维四面体的四维形式。通过模拟的粘合规则让它们自由结合，结果就成了一系列奇幻的“宇宙”，有的有太多维度而有的太少，它们自己会折叠起来或破成碎片。“就像是一场自由混战，任何东西无法恢复原状，类似于我们周围所看到的一切。”罗尔说。


　　但是，像索尔金、罗尔他们的发现增加了改变一切的因果性。毕竟时间维度与三维的空间维度不同，罗尔说，“我们不能在时间中来回旅行。”所以她的研究小组对模拟做了改变，以保证后果不会跑到原因的前面。然后他们发现，时空小块开始持续地自行组装，成为光滑的四维宇宙，其性质正和我们所在的宇宙类似。

　　有趣的是，这一模拟还暗示了在大爆炸之后不久，宇宙在婴儿期时只有二个维度：一维空间和一维时间。还有其他尝试推导量子引力方程的实验也得到了同样预测，甚至还有人提出，暗能量的出现是我们的宇宙正在发展出第四空间维度的一个信号。其他人还证明了，在宇宙早期的二维阶段可能形成一些花纹，类似于我们在宇宙微波背景上所看到的那样。


　　宇宙全息论


　　与此同时，范拉姆斯东克在全息理论的基础上，对时空的产生提出了另一种完全不同的设想。黑洞以一种类似全息的方式在其表面存储了所有的熵，美国普林斯顿高级研究院的弦理论学家胡安·默尔德希纳最早给这一理论构建了一个明确的数学公式，并在1998年发表了他的全息宇宙模型。在该模型中，三维的宇宙内部包含了弦和黑洞，只受万有引力控制，而它的二维边界包含了基本粒子和场，服从普通量子法则而无需万有引力。


　　此假说中的三维空间的居民，永远也看不到这个二维界限，因为它在无限遥远的地方。但这不会影响其数学存在：发生在三维宇宙中的任何事情，都可以通过二维边界的方程相等地描述出来，反之亦然。



　　2010年，范拉姆斯东克研究了当边界上的量子粒子发生“纠缠”时，会发生什么情况。测量其中一个不可避免地会影响另一个。他发现，如果边界上两个不同区域的每个粒子纠缠持续地降低到零，那么二者之间的量子相关就会消失，相应地三维空间开始逐渐自身分裂，就像一个细胞的分裂，直到最后，这两者之间的细微连接会突然断裂。在二维边界保持连接时这一过程不断重复，使三维空间一次次地反复分裂下去。所以，范拉姆斯东克推测说，在实际效果上，三维宇宙是由边界上的量子纠缠而保持结合在一起的，从某种意义上说，量子纠缠和时空是同一回事。也或许，像默尔德希纳说的那样：“这表明量子是最基本的，时空是从它而产生。”