时空的基本问题

时间:2023-11-21 14:09:01

史蒂夫·吉丁斯(Steve Giddings):加利福尼亚大学圣芭芭拉分校理论物理学家。

时空的基本问题

时间与空间搭台,物理学唱戏,一直以来都是这样。狭义相对论将时空融合在一起,广义相对论则展示了时空弯曲与时空涟漪。但不管怎样,物理学大厦都构建在时空的基础之上。然而,当人们用量子力学来描述世界时,“时间、空间是大自然的根本”这个观点就受到了极大的挑战。

我们特别需要面对的问题是,如何协调引力论和量子力学。起初,物理学家们相信,当时空剧烈波动到一定程度时,它可能就会失去存在的意义,但这只在极短距的情况下存在。可是,当人们试图将量子理论和引力现象整合起来,研究黑洞和宇宙演化时,发现时空未必是宇宙的根本。在超长距上,时空结构开始呈现不确定性的迹象。这个问题就严重了。

量子力学已经是物理学中不可或缺的一部分,对其进行任何修正在业界都会反响巨大。如果量子原理支配着自然界,时空就应该源自更加根本的量子结构。那么揣测一下,这个过程大致类似于原子的相互作用,从而导致了流体行为的出现。

对于时空的基本问题,很多方兴未艾的研究都给出了更加强大的证据,它的基础地位也受到严峻挑战,其中黑洞物理学首当其冲。关于时空,有一条经典的箴言:信息传播的速度不可能超过光速。但是,似乎研究越深入,就越发现量子原理与这条箴言格格不入。在标准的时空场景中,似乎有一些大错特错的东西。当我们把宇宙的大尺度结构、量子原理和暗能量三者综合在一起考虑时,证据又明显增加了。最终的结果是,在超长距离下,经历着强烈量子波动的时空又一次失去了存在的意义。我们尝试着用各种不同的数学方法来描述时空波动,只是证据越来越多,结论却都是相同的。

放弃时空概念的基础性地位,这个要求毫不含糊,并且必将影响深远。但问题在于,我们还不知道用什么理论来取代时空。各种在量子理论框架下的研究正在进行,有一些颇有前途,但还没有惊世之作出现,一些困扰了我们几十年的、与黑洞和宇宙学相关的难题仍然没有解决。我们翘首盼望这样的继任者出现,物理学的下一次大革命必定与此相关。