73、空间与时间

请关闭浏览器的阅读/畅读/小说模式并且关闭广告屏蔽过滤功能，避免出现内容无法显示或者段落错乱。

人们认识空间与时间虽然经历了漫长的历史，但是对时空认识的突破却是从二十世纪初期相对论的建立开始的。牛顿的时空是一个事物运动与演化的背景与平台，而狭义相对论第一次在时间与空间之间建立了真正的联系。时间是与三维空间相互正交的第四维度，而且这个维度与三维空间既有联系，又有区别。这个四维的闵可夫斯基时空具有转动不变性，也就是该时空中两点之间的距离不因坐标系的平移与转动变化。这一时空属性导致了运动物体的时间膨胀、长度收缩等一系列相对论效应。而广义相对论则更进一步将时空的曲率与物质运动联系起来，证明时空是可以弯曲的。

相对论会带给我们一些启示，不仅时间与空间是相互联系的，而且时空本身也有自己的运动形式。时空就像一个运动的网格，与物质相互作用，相互影响。在经典的广义相对论框架之中，时空就是一种场，是一种具有能量、动量的分布状态，它与物质之间的区别也变得模糊起来。特别是当物质的运动在时空中产生涟漪时，会激发出以光速向外辐射的引力波，它可以携带能量与动量。因此时空就是引力场，引力场与电磁场，引力波与电磁波之间的类比是很明显的，既然我们承认电磁场是一种物质，那么就很难否认时间与空间也是物质的一种存在形式。

时间、空间与物质的能量、动量是物理学中的基础概念，能量与动量可以看作四维时空中的一个四维矢量，当坐标变换时，能量动量按照相同的规律变换。在广义相对论中，它们的联系更加密切，能量动量张量的分布决定了时空的曲率，它们之间有严格的对应关系。而且从量子论的角度看，时空与能量动量之间的联系也更深刻，它们是一对傅里叶变换对，分别代表时域与频域。时间与空间通常作为物质或场的运动的变量参数，通过构造坐标系，可以形象直观的想象物理量在这个坐标系张成的空间中的运动。

时间、空间与物质的能量、动量之间可以组成傅里叶变换对这一事实，或许可以告诉我们为什么世界上最不可理解的事是世界居然可以理解。物理学家心目中的理解世界一般是指构造理论并且预测未来，或者说，为什么未来是可以预测的。通过观测，我们可以收集到过去与现在的一些数据与信息，这些都是在“时域”中，也就是过去与现在组成的时空中进行的。在传统观念中，未来还没有发生，我们无法直接获取未来的实验数据。但是，由于能量、动量这些力学量是时空变量的傅里叶变换，这些力学量的实验数据可以认为是“频域”的信息，而频域信息是从整个时域中的信息变换来的，这整个时域既包括了时域的过去与现在，也包括了未来，既包括了近在咫尺的空间状态，也包含了远在天边的空间信息。因此，通过对能量、动量这些“频域”信息的分析，我们既可以获取关于“时域”中的未来信息，也可以获取我们未曾测量的远在天边的信息。信息既可以储存在时域中，也可以储存在频域中，而这个对频域信息的提取与处理过程，实际上就是利用科学方法预测未来与未知空间的方法。同时我们也可以理解，为什么写出了一个系统的哈密顿量，就可以确定系统未来的演化，因为哈密顿量代表的是能量，它是时间的傅里叶变换，包含了过去、现在、未来的整个时间轴上的信息。当然，我们获取现在的数据是一种抽样，有限的数据只能包含有限的未来信息。

在这个分析过程中，我们拥有了一种全新的认识世界的视角。当我们试图获取过去或未来的信息时，可以对现在进行观测，现在的数据中同样包含了过去与未来的信息。宏观领域的测量一般是确定的，由于无处不在的量子退相干，相同条件下的宏观测量一般会给出相同的结果，因此宏观世界一般是可预测的，我们可以轻易的预言十亿年后宇宙微波背景辐射的温度。而微观粒子的测量则一般只能获得概率描述，每次的测量结果是不确定的，因此微观世界的过去与未来也是不确定的，只能对微观的过去与未来预言概率。

在物理学领域，时间与空间经常作为场的变量使用，因此具有基础地位，我们经常会认为时空坐标是最基础的，不会有适用范围的限制。可是从广义相对论的角度看，一般并不存在某个大范围内的统一时间与统一的空间坐标系，而是在时空每一个点附近的邻域内才有通常的时空观念，因此，每一个观察者都有一个自己的时间。在微观领域，以时空坐标为变量的波函数描述的是概率幅，这不禁让人联想到统计，因为概率经常来源于统计。在统计热力学中，出现了一些具有统计性质的变量，例如处在统计热力学关键地位的吉布斯函数，是温度与压力的函数。而温度与压力概念是有适用范围的，只有大量的粒子组成的宏观系统才有这些概念，当粒子数很少或只有一个粒子时，温度与压力是没有意义的。时空坐标是否也有类似的适用范围呢？如果我们构造一个抽象的数学空间，并在这个抽象空间中设想一些过程或运动，有没有可能像温度概念来源于大量微观粒子的平均动能这样，将时间与空间解释为一种具有适用范围的导出概念呢？极短的时间间隔与极小的空间尺度上的物理我们是不清楚的，甚至在这样的极端尺度上时空概念是否仍然有效都不清楚。可是就像柏拉图的洞穴比喻，如果我们能发现一种更真实的框架，找到一些更基础的参数变量，或许能将更多的物理统一起来。