时间并不“存正在”？从绝对时空到“量子泡沫

　　正在人类试图理解的漫长旅途中，时间和空间一曲是最根基的概念。我们糊口正在一个由时间和空间形成的舞台上，所有事务正在这个舞台中发生和展开。跟着物理学的成长，时间和空间的素质和关系也正在不竭被从头定义。这个摸索过程从牛顿的绝对时空，到爱因斯坦的，再到现代物理中的量子和学。什么是量子泡沫？为什么施一公院士说“时间并不存正在”？我们来一路这个充满奥妙的时空图景。17世纪，牛顿提出了典范的时间取空间不雅念。时间和空间是完全且绝对的存正在。时间如一条平均消逝的线，正在任何前提和下都连结分歧；空间则是一个无限延展的容器，此中物体地活动。时间和空间形成了一个不受物体或事务影响的舞台，所有的物理现象都正在其上演。这一不雅念不只奠基了典范物理学的根本，也构成了机械不雅的焦点，认为如统一个庞大的时钟，由物体和力的彼此感化所鞭策。正在提出之前，牛顿的绝对时空不雅获得了普遍承认，特别是正在其著做《天然哲学的数学道理》中，牛顿对绝对时间和绝对空间的概念做了系统阐述。正在牛顿的力学系统中，惯性系被定义为相对于绝对空间静止或做匀速曲线活动的参考系，伽利略的相对性道理正在牛顿的绝对时空不雅框架下获得了进一步阐述和成长。伽利略变换描述了分歧惯性系之间的空间和时间转换，表白正在分歧的惯性系中，时间和空间的标准连结不变。换言之，时间和空间不只绝对，同时性也是绝对的——若正在一个惯性系中两个事务被不雅测为同时发生，为论证绝对空间的存正在，牛顿设想了一个出名的物理尝试，牛顿桶尝试：现有一个盛水的桶，最后桶和水都静止时，水面是平的。跟着桶起头扭转，水取桶尚未同步动弹时水面仍连结平展；当水逐步随桶同步动弹时，水面呈现凹形。即便桶最终遏制动弹，水仍会继续扭转，且水面连结凹形。牛顿认为，水面呈凹形是因为水相对于绝对空间的扭转所惹起的惯性，申明水的活动形态取决于某个绝对参考系，从而支撑了绝对空间的存正在。19世纪，麦克斯韦的电磁理论再次鞭策了物理学的成长。他通过方程组将电、磁、光同一路来。然而，其时物理学界遍及认为电磁波需要以太做为介质，这一理论存正在一个环节问题：若是地球正在以太中活动，那么地球挪动标的目的上测得的光速该当有所变化，就像正在逆风中行走速度变慢一样。科学家们试图通过迈克尔逊-莫雷尝试来证明地球取以太间的相对活动，这是迈克尔逊和莫雷试图验证的起点。1887年，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷设想了一个细密的尝试，称为迈克尔逊-莫雷尝试。尝试安拆次要包罗一个仪，它将光束分成两条径，一条沿着地球公转标的目的，另一条垂曲于地球的活动标的目的。通过比力两条径的光程差，他们试图检测地球正在以太中的活动，即所谓的以太风。按照以太，若是地球正在以太中穿行，沿地球活动标的目的的光速该当变慢，而垂曲标的目的的光速连结不变。尝试的设想是：当两个光束从头汇应时，会发生必然的条纹偏移，表白光速受地球活动影响。然而，尝试成果却完全出乎预料——两条光的光速并没有任何显著差别，条纹也没有发生预期的偏移。这一成果表白，无论地球能否正在活动，光速似乎是不异的。取地球的活动标的目的无关。这一发觉取伽利略变换发生了冲突，由于按照伽利略变换，分歧惯性系中的光速应随相对活动而变化，麦克斯韦的电磁理论正在这一矛盾中坐正在了保守典范力学的。曲到20世纪初，爱因斯坦的呈现，完全了绝对时空的保守不雅念，处理了上述冲突。他提出，光速不变，且正在任何惯性系中皆为，这一道理奠基了的焦点。爱因斯坦通过狭义指出，时间和空间并非的，而是亲近相关并形成了一个四维的时空全体，每一个物体正在中的不只仅由三维空间坐标决定，还包罗了时间坐标。时间和空间不再是固定不变的。跟着物体速度接近光速，时间正在察看者看来会变慢，空间也随之收缩。爱因斯坦引入这一框架，付与时间和空间同一的性质。前文提到，狭义的一个焦点假设是光速不变道理，即无论察看者的速度若何，实空中的光速一直恒定不变。这个道理对于时间膨缩和长度收缩现象至关主要。无论察看者能否相对于光源活动，测得的光速老是不异。爱因斯坦还提出了相对性道理，即物理定律对所有惯性参考系都是不异的，不会由于察看者的活动形态而改变。相对性道理取光速不变相连系，注释了为何时间和空间会随速度变化。这种现象表白时间和空间是相对的，依赖于物体的活动形态。于是更进一步，正在广义中，引力并不是物体间的吸引力，而是由质量扭曲了四周的时空。能够将时空比做一张紧绷的橡皮膜，当一个质量较大的物体放置正在时，橡皮膜会下陷构成一个凹陷，而其他较小的物体则顺着这一凹陷滑向大质量的核心。按照前文，正在中的描述，我们把视之为一个滑腻、持续的四维布局，既能够描述的运转，也合用于物体正在宏不雅空间内的活动。但跟着量子力学的兴起，正在微不雅标准的量子世界，科学家发觉时空的素质却显得远比我们想象的还要复杂奥秘。量子力学的焦点之一是海森堡不确定性道理，也就是我们无法同时精确测定一个粒子的速度和。能够如许理解，正在日常糊口的标准上，空间是能够切确丈量的，也似乎是固定的。但正在量子标准，和速度的丈量遭到，粒子的行为也呈现出不确定性。这种特征正在细小的时空标准上意味着，空间也可能充满波动，不再是静止不动的，而是不竭变化、极为活跃的。这种现象是宏不雅物理学无法描述的，但正在量子物理中，它倒是不成忽略的根基性质。正在这种不确定性布景下，科学家们提出了量子泡沫的概念。当我们察看极小的时空标准时，空间并非如宏不雅世界那样滑润，而是呈现出雷同泡沫的随机波动。这种泡沫由很多短暂生成和敏捷湮灭的细小粒子和能量形成，构成了一个动态的布局。这就像正在大海的概况上看到的海浪，虽然水面全体上是连贯的，但正在特定的时空点上却存正在着不竭生成和消逝的浪花。科学家进一步猜测，时空正在量子程度上的表示大概是一种复杂的动态收集，而我们察看到的滑润时空只是其正在宏不雅标准上的表示。雷同于海洋中的海浪正在远不雅时显得连缀不停，而微不雅察看则会发觉无数涌动的水，量子泡沫展现了时空的根基构成可能是一个极为活跃的收集布局。这种量子泡沫现象不只是量子力学的一个猜测，也是毗连量子物理取广义的一个主要线索。爱因斯坦的成功描述了宏不雅之间的引力关系，但正在微不雅层面若何同一量子力学取引力理论，仍是科学界未解的难题。量子泡沫被认为是量子引力的一个表示，这意味着正在极小的标准上，引力也可能以一种全新的体例起感化。若是这些理论可以或许获得进一步的验证，那么量子泡沫大概会成为科学界理解时空的一个环节元素。