空間是絕對(duì)的嗎？

丹·福爾克

如果宇宙中的所有物質(zhì)都瞬間消失，空間是否還會(huì)存在？艾薩克·牛頓的答案是肯定的。在牛頓的眼中，空間就像《星際迷航》里的全息甲板——一個(gè)三維的虛擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)，上面投射有模擬的人和物。正如牛頓在其《原理》中所寫：“絕對(duì)空間，就其本性而言，與外界任何事物無關(guān)，而且永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的。”

這一理論在日常生活中頗具說服力。我向東走，你向西走，但郵局仍在原地不動(dòng)：參照系保持不變。但與牛頓同時(shí)代的德國數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家萊布尼茨不相信絕對(duì)空間這個(gè)觀點(diǎn)，認(rèn)為如果組成宇宙的眾多物體都消失的話，空間就不再具有任何意義。事實(shí)上，如果將太空作為觀察對(duì)象，萊布尼茨的理論會(huì)更站得住腳，因?yàn)樵谔罩校隳茏⒁獾降闹挥心愫吞柕木嚯x，以及彼此間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的眾多行星。萊布尼茨認(rèn)為唯一合理的解釋是，空間是“相對(duì)的”：空間只是你與其他物體間不斷變化的距離以及其他物體彼此間的距離，并非“絕對(duì)現(xiàn)實(shí)”。

這與牛頓的看法恰恰相反。絕對(duì)空間的影響非常容易觀察，牛頓也通過旋轉(zhuǎn)水桶實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了證明。實(shí)驗(yàn)聽上去很簡(jiǎn)單，但它引發(fā)了時(shí)至今日仍未停止的關(guān)于空間、時(shí)間、運(yùn)動(dòng)、加速度和力量的爭(zhēng)論。

從原理上講，牛頓要求人們想象被繩子吊著的一桶水。將水桶朝順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，繩子就開始被擰緊。放手后會(huì)發(fā)

生什么？木桶會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，先慢后快。與此同時(shí)，正如牛頓描述的，“水的表面會(huì)從中心下降，并在桶壁升高，就像一個(gè)漏斗一樣”。一開始，木桶和水同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終，木桶轉(zhuǎn)速變慢，并反方向轉(zhuǎn)動(dòng)；水的轉(zhuǎn)速也放緩，水面逐漸歸于水平。

高中生都學(xué)過的離心力與此實(shí)驗(yàn)有些關(guān)系，但到底是什么使水沿著桶壁升高呢？牛頓認(rèn)為，它不是水相對(duì)于水桶的

運(yùn)動(dòng)，因?yàn)楫?dāng)水轉(zhuǎn)動(dòng)最厲害時(shí)，水的表面變化最大，與水桶同步。當(dāng)然，木桶和水相對(duì)于地球在轉(zhuǎn)動(dòng)，但這也不是答案，因?yàn)槿绻谔罩羞M(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是一樣的。

在牛頓看來，對(duì)水桶實(shí)驗(yàn)的唯一解釋是，水相對(duì)于絕對(duì)空間在旋轉(zhuǎn)。這也與慣性力有關(guān)，慣性力拒絕物體在運(yùn)動(dòng)速

度和方向上的任何變化。當(dāng)水桶和水轉(zhuǎn)起來時(shí)，桶壁阻擋了水的直線運(yùn)動(dòng)，使其沿桶壁推升。

為什么物體本身具有慣性力？奧地利物理學(xué)家馬赫相信，任何關(guān)于運(yùn)動(dòng)和慣性力的解釋，包括水桶中水的運(yùn)動(dòng)，都

與宇宙中其他的物質(zhì)有關(guān)。在馬赫看來，地球本身也是放大版的水桶：自數(shù)十億年前太陽系形成后，地球就開始旋轉(zhuǎn)，赤道也像旋轉(zhuǎn)木桶中的水一樣“突出來”。

如果地球停止自轉(zhuǎn)，而它周圍的行星和恒星圍繞它轉(zhuǎn)動(dòng)，赤道還會(huì)突出來嗎？

牛頓的回答是否定的：沒有旋轉(zhuǎn)，就沒有突出。但是馬赫認(rèn)為答案取決于物體的慣性力從何而來。如果物體的慣性力是宇宙中眾多物質(zhì)產(chǎn)生的某種作用的結(jié)果，那么行星仍然會(huì)有突出，因?yàn)槠渌行呛秃阈侨栽谒車D(zhuǎn)。這便是馬赫的相對(duì)理論：不止運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，慣性力也是物體和宇宙中其他物體之間的關(guān)系。如果馬赫的觀點(diǎn)是正確的，恒星和星系，或遠(yuǎn)或近，都在某種意義上塑造了地球的形狀，以及水在牛頓水桶實(shí)驗(yàn)中的漏斗造型。但是馬赫并沒有說明那些遙遠(yuǎn)的恒星和星系如何發(fā)揮自己的作用，即使到了今天，答案仍然很不明朗。

年輕的愛因斯坦可能是馬赫最忠實(shí)的讀者，他努力將這一觀點(diǎn)命名為馬赫原理，并將這一原理與他的引力理論——

廣義相對(duì)論——相結(jié)合。

愛因斯坦理論的巨大成功是對(duì)牛頓絕對(duì)空間的最后一擊。但是沒有了絕對(duì)空間，我們?nèi)砸紤]如何解釋牛頓的木桶實(shí)驗(yàn)。在其暢銷書《宇宙的構(gòu)造》中，物理學(xué)家布萊恩·格林指出，盡管愛因斯坦的理論排除了牛頓的絕對(duì)空間，但仍說明時(shí)空這一四維空間結(jié)構(gòu)是絕對(duì)的。人們可能會(huì)在游行的持續(xù)時(shí)間或游行隊(duì)伍間的距離上有分歧，但是在游行隊(duì)伍的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的時(shí)空距離上沒有分歧。這比較難以想象，因?yàn)槲覀儾荒芡瑫r(shí)看到四個(gè)維度，但愛因斯坦的理論公式可以證明這一點(diǎn)。

但是，這還不是格林對(duì)物質(zhì)的最終論斷。物理學(xué)家認(rèn)為賦予粒子質(zhì)量的希格斯場(chǎng)充斥整個(gè)宇宙。雖然愛因斯坦的時(shí)

空可以作為測(cè)量加速度的參照系，但希格斯場(chǎng)有一點(diǎn)做得更好：它對(duì)任何通過它的物質(zhì)產(chǎn)生阻力，這樣就可以解釋為什么物體一開始就具有慣性力。

還有一個(gè)想法來自亞利桑那州立大學(xué)的物理學(xué)家保羅·戴維斯。他指出，“空”的空間其實(shí)是亞原子粒子彈進(jìn)或彈

出而形成的一個(gè)短暫的沸騰的泡沫，并認(rèn)為這種量子的“真空嬉鬧”可以替代絕對(duì)空間。

現(xiàn)在，由牛頓的水桶實(shí)驗(yàn)引發(fā)的有關(guān)空間和運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量和慣性力的觀點(diǎn)仍在困擾著物理學(xué)家和哲學(xué)家。某種東西使

水沿著桶壁上升，但它究竟是時(shí)空構(gòu)造、希格斯場(chǎng)還是某種量子泡沫，仍有待觀察。

延伸閱讀宇宙源于一維？

文/Lisa Grossman

粒子物理學(xué)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型雖然可以解釋絕大部分的宇宙，卻在大爆炸后的高能狀態(tài)下失效了。這是致命的問題。例如，標(biāo)準(zhǔn)模型始終無法解釋為何宇宙在加速膨脹，而且也無法把宏觀和微觀物體的物理規(guī)律相連接。絕大多數(shù)理論物理學(xué)家認(rèn)為，這種缺陷意味著高能狀態(tài)產(chǎn)生了新的物理規(guī)律，可能包含了新粒子和額外的、不可見的空間維度。

布朗大學(xué)的物理學(xué)家格雷格·蘭茨貝格和同事提出了使標(biāo)準(zhǔn)模型適用于高能情況的簡(jiǎn)單方法：讓宇宙的維度消失。如果炙熱的新生宇宙只有一維，隨著它的擴(kuò)張和冷卻才獲得更多的維度，那么一些物理學(xué)的頑疾就神奇地治愈了。

蘭茨貝格建議把這種維度減小的宇宙想象成手織的掛毯。這個(gè)掛毯描繪了三維世界的場(chǎng)景，人物和景觀的透視與現(xiàn)實(shí)相同。但是如果向它靠近，會(huì)發(fā)現(xiàn)它越來越像一塊二維的布。而在放大鏡下看，才發(fā)現(xiàn)它其實(shí)是一根一維的線通過復(fù)雜的方式組合在一起的。