4維空間或比4維時(shí)空更準(zhǔn)確

時(shí)間是衡量事件持續(xù)性的尺度，它不僅深入人們的直覺(jué)，在對(duì)物理系統(tǒng)做數(shù)學(xué)描述時(shí)也扮演重要角色。比如，我們把速度定義為一個(gè)既定時(shí)間內(nèi)的位移。在感覺(jué)上，我們已經(jīng)把牛頓的時(shí)間觀念當(dāng)成了真實(shí)存在、不斷流動(dòng)著的事物，按這種觀念構(gòu)建出的時(shí)空第四緯度，是不正確的。據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，目前一些科學(xué)家提出，用相對(duì)更準(zhǔn)確的描述來(lái)替代這種時(shí)間，只把時(shí)間當(dāng)作一種測(cè)量變化順序的單位。

來(lái)自斯洛文尼亞比斯特拉科研中心的三位科學(xué)家阿姆里特·索里、戴維德·菲斯凱勒提和都山·克林納在最近發(fā)表于《物理文集》上的兩篇論文中，對(duì)此作了詳細(xì)解說(shuō)。

宇宙是“無(wú)時(shí)間”的

人們通常把時(shí)間當(dāng)作一種絕對(duì)的物理量，一種重要的自變量（時(shí)間t，經(jīng)常成為描述物理系統(tǒng)演進(jìn)圖中的X軸）。但新研究指出，人們從不曾真正測(cè)量到時(shí)間本身，測(cè)量的是物體的頻率、速度等等。人們所經(jīng)歷的是物體的運(yùn)動(dòng)、鐘表的嘀嗒，把物體的運(yùn)動(dòng)和鐘表的嘀嗒作對(duì)比，以此來(lái)測(cè)量物體的頻率、速度等等，時(shí)間本身只有數(shù)學(xué)數(shù)值，而沒(méi)有物理存在。

這種觀點(diǎn)并不是說(shuō)沒(méi)有時(shí)間，與其把時(shí)間作為一種絕對(duì)的時(shí)間觀念，不如說(shuō)它與空間關(guān)系密切更為準(zhǔn)確。人們通常把4維時(shí)空看作是由3維空間和1維時(shí)間所構(gòu)成，但研究人員認(rèn)為，把4維時(shí)空當(dāng)作4維空間更準(zhǔn)確，換句話說(shuō)，宇宙是“無(wú)時(shí)間”的。

最新論文認(rèn)為，4維時(shí)空應(yīng)改為4維空間，即明可夫斯基空間。4維時(shí)空中的時(shí)間變化是物質(zhì)發(fā)生了變化，這是一種把時(shí)間當(dāng)作物理實(shí)體的觀點(diǎn)。但把時(shí)間當(dāng)作物質(zhì)變化的數(shù)字順序來(lái)描述應(yīng)該更準(zhǔn)確，這樣才能更好地反映物理世界，比如在描述重力、靜電作用、EPR實(shí)驗(yàn)（愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森為論證量子力學(xué)的不完備性而提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)）中的信息轉(zhuǎn)移這些瞬時(shí)物理現(xiàn)象時(shí)，能解釋得更明白。這些物理現(xiàn)象都是直接由空間造成的。

愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：時(shí)間不可能獨(dú)立于我們測(cè)量事件的順序而存在。“我的結(jié)論是，時(shí)間只是事件順序，這種觀念的根源正是來(lái)自愛(ài)因斯坦本人。”索里說(shuō)。

時(shí)間是空間數(shù)字順序

研究人員舉例說(shuō)，比如一個(gè)光量子在空間兩點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，兩點(diǎn)間的距離由光量子所能運(yùn)動(dòng)的最小距離——普朗克距離組成，通過(guò)這段距離的基本時(shí)間單位是普朗克時(shí)間。當(dāng)光量子通過(guò)一個(gè)普朗克距離，它只是在空間中運(yùn)動(dòng)而不是在一種絕對(duì)時(shí)間中。光量子可以被當(dāng)作是從點(diǎn)1運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)2，位置在點(diǎn)1是“先于”位置在點(diǎn)2，在此意義上，才能說(shuō)數(shù)字1“先于”數(shù)字2。但數(shù)字序列不等于時(shí)間序列，好比我們不能說(shuō)數(shù)字1在數(shù)字2前面，它們只是數(shù)字而已。

研究人員解釋說(shuō)，不用時(shí)間作為時(shí)空第四緯度，物理世界可以描述得更準(zhǔn)確。物理學(xué)家恩里科·布拉提在最近的研究中指出，哈密頓動(dòng)力方程就沒(méi)使用絕對(duì)時(shí)間的概念，也能完善定義。其他科學(xué)家指出，時(shí)空的數(shù)學(xué)模型并不等于物理真實(shí)。他們認(rèn)為，一種無(wú)時(shí)間的“狀態(tài)空間”能為描述時(shí)空提供更準(zhǔn)確的框架。

如果把時(shí)間作為空間第四維，也就是作為一種讓各種實(shí)驗(yàn)在其中發(fā)生的基本物理實(shí)體，這種“時(shí)間”就能通過(guò)一種時(shí)間不存在的實(shí)驗(yàn)來(lái)證偽，如庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)，從數(shù)學(xué)上講，這種實(shí)驗(yàn)只發(fā)生在空間里。反過(guò)來(lái)，把時(shí)間概念作為一種空間變化的數(shù)字順序，只有空間是容納各種實(shí)驗(yàn)發(fā)生的基本物理存在，盡管這一概念也能被時(shí)間不是物質(zhì)變化順序的實(shí)驗(yàn)所證偽，但這樣的實(shí)驗(yàn)至今尚未發(fā)現(xiàn)。

索里說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)中我們用時(shí)鐘來(lái)測(cè)量的時(shí)間數(shù)據(jù)，是物質(zhì)變化，比如空間位移的數(shù)字順序?！?/p>

新概念的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

把時(shí)間只當(dāng)作是變化的先后順序，還能解決阿喀琉斯追烏龜?shù)摹爸ブZ悖論”。在這一悖論中，阿喀琉斯和烏龜賽跑，讓烏龜在自己前面，盡管阿喀琉斯的速度是烏龜?shù)?0倍，卻永遠(yuǎn)也趕不上烏龜，因?yàn)榘⒖α鹚古艿拿慷尉嚯x的時(shí)間中，烏龜都會(huì)向前跑1/10的距離，所以無(wú)論什么時(shí)候阿喀琉斯達(dá)到了烏龜?shù)奈恢茫瑸觚斂倳?huì)向前那么一點(diǎn)點(diǎn)。盡管阿喀琉斯永遠(yuǎn)不能追上烏龜?shù)慕Y(jié)論明顯錯(cuò)誤，卻有各種不同的分析來(lái)破解。

而研究人員用重新定義的速度解釋了這一悖論。兩個(gè)參賽者的速度來(lái)自它們的運(yùn)動(dòng)順序，而不是時(shí)間上的替代和方向。從這一角度出發(fā)，阿喀琉斯和烏龜只在空間里運(yùn)動(dòng)，阿喀琉斯能在空間里超過(guò)烏龜，而不涉及絕對(duì)時(shí)間。

新的時(shí)間概念也能符合我們直覺(jué)中所設(shè)想的時(shí)間。許多神經(jīng)病學(xué)方面的研究已經(jīng)證實(shí)，我們有過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的感覺(jué)。這種證據(jù)導(dǎo)致了大腦以一種內(nèi)部“時(shí)鐘”的形式來(lái)表現(xiàn)，發(fā)出神經(jīng)性計(jì)時(shí)，即定速累積模型（pacemaker-accumulator model）。然而，最近的研究挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)不同的神經(jīng)群的活性，認(rèn)為大腦是以一種空間分布方式來(lái)表現(xiàn)時(shí)間，盡管我們感覺(jué)事件的發(fā)生有過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)，這些概念僅僅是我們體驗(yàn)空間物質(zhì)變化的心理框架。