在真相與后真相之間
——量子引力理論蘊(yùn)含的時空觀

隨著20世紀(jì)以來基礎(chǔ)物理學(xué)研究的不斷深入，以超弦和圈量子引力為代表的量子引力研究已經(jīng)進(jìn)入普朗克標(biāo)度，這意味著科學(xué)進(jìn)入了后真相時代。真相時代以廣義相對論和量子力學(xué)為代表的科學(xué)，結(jié)出了標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型和粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型等豐碩的果實，代表著關(guān)于時空與物質(zhì)實證性認(rèn)識的新高度。然而，隨著量子引力理論的探索，真相時代所形成的關(guān)于時空與物質(zhì)的觀念受到了挑戰(zhàn)，量子引力理論給出了更為本質(zhì)的關(guān)于時空與物質(zhì)的認(rèn)識，而相互競爭的量子引力理論并存的狀態(tài)又使得關(guān)于時空與物質(zhì)的本質(zhì)變得撲朔迷離，突顯了后真相的意義。

宏觀真相時代的時間與空間

宏觀真相時代以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁學(xué)為代表，時空觀念是牛頓的絕對時間和絕對空間。絕對時間和絕對空間相互獨立，彼此之間沒有任何直接聯(lián)系，物體的運動發(fā)生在絕對時間和絕對空間形成的背景中。

絕對時間包含了兩個方面的意義：一是標(biāo)示了宇宙中基本組成的順序，我們通過一組事件間的前后關(guān)系來感知到時間；二是作為確定時刻之間持續(xù)的一種度規(guī)，保證了時間的連續(xù)性，為運動的微分刻畫奠定了基礎(chǔ)。絕對時間本身是不可觀測的，通常用在絕對時間中演化的物理變量來描述它，如實際中通過測量時鐘等可觀測的時間變量。由于絕對時間的實體屬性，在時間中的演化可以簡化為數(shù)學(xué)表述。

牛頓絕對空間的觀念建立在對笛卡爾相對空間的批判之上。笛卡爾認(rèn)為空間是相對的，并不存在“空的空間”，物體的“位置”是與相鄰的所有物體的集合，運動也是相對的。牛頓認(rèn)為空間是存在的，即使其中沒有物體，物體的位置就是它所占據(jù)的那部分空間。物體的運動是相對于絕對空間而言的，牛頓在《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》中著名的旋轉(zhuǎn)水桶實驗正是對絕對空間存在的論證。絕對空間是3維歐幾里得空間，它扮演了對物體的隔離與區(qū)分，通過在絕對空間中位置的區(qū)別可以明確地區(qū)分兩個物體。比如在兩個物體之間有空間，意味著這兩個物體是獨立的兩個個體，是可分開的、不同的兩個對象。物體間的作用或影響需要穿過它們之間的空間，如通過電磁場的傳播使得兩個空間中分離的電子之間產(chǎn)生排斥作用，相互作用的這一特性即定域性。

量子真相時代的時間和空間

量子真相時代，以量子力學(xué)和相對論為代表，其時空觀在狹義相對論、廣義相對論和量子力學(xué)中均不同，需要分別論述。

狹義相對論取消了對“空間”和“時間”的嚴(yán)格區(qū)分，認(rèn)為空間和時間以精確的方式互相補(bǔ)償，使得人們測量光速時總是得到同樣的結(jié)果。時空的聯(lián)合使得單獨對于時間和空間的考慮，是依參考系或觀察者而變的。相對于靜止的觀察者而言，運動者的時間流逝更慢，其所占據(jù)的空間更短。事件發(fā)生的時間順序不再是二元關(guān)系了，而是三元關(guān)系，第三個事件充當(dāng)參考系或觀察者的角色，并且參考系或觀察者必須處于勻速運動狀態(tài)。

狹義相對論中運動的相對性，使得兩個事件之間的時間間隔依賴于運動狀態(tài)，事件集上不再能定義一個完整的順序，另外兩個類空分離的事件之間不存在直接的時間順序。相較于宏觀真相時代用當(dāng)下來區(qū)分過去與未來，狹義相對論的閔可夫斯基時空中，時空本身不能夠確定哪個事件能算作現(xiàn)在。狹義相對論中，同時性、速度、空間之間的距離和持續(xù)時間都是相對的，但除此之外狹義相對論并未改變牛頓所搭建的絕對時空這一固定的背景舞臺。

廣義相對論是關(guān)于時空和引力最為成功的理論。廣義相對論中，時空與引力場等同，絕對時間和絕對空間被引力場所取代，從根本上重塑了關(guān)于時間和空間的認(rèn)識：時空與物質(zhì)是等價的，時空是物質(zhì)的一種組成部分。引力場具有獨立的自由度，引力場和時空的運動和起伏用引力場方程——愛因斯坦方程來刻畫。2016年LIGO對于引力波的探測，直接證實了引力波的存在，表明了引力場和時空波動起伏的真實性。廣義相對論中的時間是動力學(xué)時空中的一個分量，它僅是局域地和內(nèi)部地定義的，并不存在全域的時間。在狹義相對論那里，閔可夫斯基時空至少可以在某個選定的參考系下定義一個全域的現(xiàn)在時刻，即同時性的超平面，而在廣義相對論中沒有這樣的超平面，甚至也沒有一個單個的全域“時間-切片”（沒有邊界的一個類空超曲面）。

廣義相對論是一種背景無關(guān)的理論，引力場的動力學(xué)演化表明時空是動態(tài)的，原先牛頓理論中的時空舞臺本身也變成了演員。背景無關(guān)性通過理論的廣義協(xié)變性得以實現(xiàn)。引力場的動力學(xué)是完全相對性的，相對性要求引力場方程所表述的自然律對于任意的坐標(biāo)系統(tǒng)都有效，即引力場方程要滿足廣義協(xié)變性。時空的微分同胚使得從一個理論的模型映射到另一個時，保持了集合的閉合性。在物理上，一個背景無關(guān)理論中的時空微分同胚是規(guī)范對稱性，它們將兩個不同的數(shù)學(xué)模型看作是物理上等同的。

非相對論的量子力學(xué)沿用了牛頓的絕對時間和絕對空間。與物理系統(tǒng)的動力學(xué)變量是量子化不同，這里固定的時間和空間背景是未量子化的。時間在理論中是全域的背景參數(shù)，并不是用量子算符表示的物理學(xué)的可觀測量。因為能量-時間不確定關(guān)系的存在，一旦擁有時間算符，普遍的時間擁有從負(fù)無窮到正無窮的連續(xù)本征值，由于正則對易關(guān)系，這將導(dǎo)出能量也具有從負(fù)無窮到正無窮的連續(xù)本征值，從而與所觀察到的離散的能量本征值不符。量子力學(xué)中時間與空間之間的這種不對等性被認(rèn)為違背了相對性原理，很長時間內(nèi)困擾著物理學(xué)家們。

薛定諤方程中的時間在過去和未來是對稱的，波函數(shù)的正向時間演化和逆向時間演化沒有不同。然而，薛定諤方程本身并不能說明量子測量的結(jié)果，還需要補(bǔ)充以波函數(shù)的塌縮等其他隨機(jī)的和概率性的描述過程，而這一過程在時間上顯然是不對稱的。對于波函數(shù)的塌縮而言，時間明顯是不對稱的，過去是在空間中彌散的波，給出可觀測量的各種可能結(jié)果出現(xiàn)的概率，未來則是確定性的某一個具體的測量結(jié)果。

量子力學(xué)中關(guān)于空間認(rèn)識的變革源于量子非定域性。量子力學(xué)允許在空間中分離得很遠(yuǎn)的糾纏粒子對在測量瞬間得到相互關(guān)聯(lián)的結(jié)果，這一非定域性得到了實驗驗證。關(guān)于量子非定域性的理解與對時空結(jié)構(gòu)和因果性的理解緊密相關(guān)，非定域性是否意味著對定域?qū)嵲谡摰倪`背，是否意味著與狹義相對論的沖突，該如何認(rèn)識量子非定域性？這些問題仍然處于爭論中。如認(rèn)為非定域性意味著定域作用的違背，即超光速信號的傳遞，那么就與狹義相對論沖突了。如認(rèn)為非定域性意味著不可分離性，那么非定域性則改變了傳統(tǒng)中將空間位置作為區(qū)分物質(zhì)的介質(zhì)這一功能，空間并不能將處于糾纏的粒子分隔，糾纏粒子對即使相隔很遠(yuǎn)的空間距離也是一個不可分的整體。

廣義相對論和量子力學(xué)所揭示出的關(guān)于引力或時空和量子化的認(rèn)識經(jīng)受了經(jīng)驗檢驗，稱之為真相。然而，當(dāng)把人類的認(rèn)識延伸到普朗克標(biāo)度，即引力效應(yīng)和量子效應(yīng)同樣重要的標(biāo)度上，廣義相對論和量子力學(xué)所揭示的真相結(jié)合在一起時，即在量子引力研究中遇到了難以克服的困難。這意味著雖然基本物理學(xué)在經(jīng)驗上有效，但它處于一種概念混亂的狀態(tài)。廣義相對論和量子力學(xué)之間的不一致是根源性的，主要體現(xiàn)為看待時空的不同態(tài)度上。廣義相對論將引力等價于時空，度規(guī)既是引力場的結(jié)構(gòu)，也是時空的結(jié)構(gòu)，時空結(jié)構(gòu)隨著物質(zhì)的分布而變化，而變化的時空結(jié)構(gòu)又規(guī)定著物質(zhì)的運動，因而廣義相對論并不依賴于固定的時空度規(guī)結(jié)構(gòu)，是一種背景無關(guān)的理論。與之相反，量子力學(xué)預(yù)設(shè)了一個不動的經(jīng)典時空背景，量子化及其漲落是相對于該時空背景來定義的，是一種背景相關(guān)的理論。一旦將兩種理論結(jié)合起來，將引力進(jìn)行量子化，會得到時空的量子化，即存在漲落的時空。而漲落正是通過這個時空背景來定義的，這就導(dǎo)致了矛盾。如何處理量子力學(xué)中外在的時間變量和靜止的時空背景，如何將“既是演員又是舞臺”的度規(guī)場進(jìn)行量子化，成為了物理學(xué)家們探索的主要目的。

量子引力理論中的時間和空間

量子引力理論是對普朗克標(biāo)度下時空結(jié)構(gòu)的研究，這一標(biāo)度下引力效應(yīng)和量子效應(yīng)同樣重要，引力需要量子化處理，這就意味著時空的量子化，時空觀念注定與我們在真相時代所形成的觀念大不一樣。我們來看弦理論和圈量子引力這兩種目前流行的量子引力理論下的時空觀念。

弦理論一方面繼承了量子場論中的固定時空背景，將量子引力建立在平坦的度規(guī)空間上，另一方面又考慮到了其周圍度規(guī)的微小漲落。弦在時空背景中振動，弦理論的這種背景相關(guān)性被認(rèn)為是它所面臨的最為嚴(yán)重的問題之一。如何構(gòu)建一個背景無關(guān)的弦理論，把弦作為織起時空之線，被認(rèn)為不但能夠啟發(fā)對于時空起源問題的解決，也是求解弦理論中額外維度的重要工具。在背景無關(guān)的弦論體系中，弦的兩維世界面（world sheet）扮演了更為重要的角色，關(guān)于弦的量子處理也是基于世界面上的量子場而言的，時空度規(guī)特性從大量弦的量子描述中涌現(xiàn)出來，因而弦是更為基本的，時空來自于弦的集群效應(yīng)。但是弦理論中的膜在時空的基本組成中扮演什么角色呢？膜和弦哪個更為基本？抑或都不是基本的，存在其他基本的實體？如在矩陣?yán)碚撝校瑢?-膜即沒有空間延展的東西作為基本組分，如此膜、弦和時空就都是由0-膜的恰當(dāng)組合而成。不過，這些研究仍在進(jìn)行中，仍未有結(jié)論性的成果。

弦理論中的對偶性在形而上學(xué)層次上意味著時空是涌現(xiàn)的。對偶性聯(lián)系了不同種類的弦理論，對偶的理論給出相同的物理，它們在經(jīng)驗上不可區(qū)分。T-對偶性是一種標(biāo)度不變性，如在一個維度上其彎曲半徑為R的理論T1與另一個其彎曲半徑為1/R的理論T2對偶，從R到1/R的變換并不改變物理，而T1理論所對應(yīng)的空間尺度大，T2理論所對應(yīng)的空間尺度小。這意味著大和小并不是最為基本的，最為基本的應(yīng)該是那些保持不變的特性，所以空間不是基本的。

作為對偶性的一種特殊形式，AdS/CFT對應(yīng)表明空間的維度也不具有基本性，支持了時空的涌現(xiàn)。弦理論的一致性要求時空是10維或11維的，這意味著在我們的4維時空之外的多余維度是卷曲的。AdS/CFT對應(yīng)表明，物理定律的體空間描述和邊界描述是完全等價的，其中體空間描述要比邊界描述具有更多的維度，體空間理論中包括了引力，而邊界理論不包含引力。這表明，時空不具有基本性，除了時空的尺寸和形狀可以在不同的理論之間來回翻譯，空間維度的數(shù)目也可以在完全等價的不同理論之間改變。越來越多的線索都表明，時空的形式只是無關(guān)緊要的細(xì)節(jié)，時空的形式會隨著物理理論體系而改變，時空并不基本、并不真實。

圈量子引力是一種背景無關(guān)的理論，它是通過求解將廣義相對論直接量子化得到的量子化引力場方程——惠勒-德威特方程而構(gòu)造的。圈是惠勒-德威特方程的解，是圈量子引力中最為基本的實體，由有限圈所形成的極其精細(xì)的編織或網(wǎng)絡(luò)稱為自旋網(wǎng)絡(luò)，自旋網(wǎng)絡(luò)或它的量子疊加構(gòu)成了空間。一個自旋網(wǎng)絡(luò)隨時間的演化稱為一個自旋泡沫。自旋網(wǎng)絡(luò)可以保留、融合或分裂成幾個節(jié)點，產(chǎn)生的結(jié)果被看作是4維時空的量子類似，稱為自旋泡沫。自旋泡沫才是更為基本的結(jié)構(gòu)，3維空間從此結(jié)構(gòu)上涌現(xiàn)而出。同樣涌現(xiàn)出的還有時空的離散結(jié)構(gòu)，可以在運動學(xué)的層次上具體定義幾何算符，如定位面積算符和體積算符，它們都具有離散的譜，這意味著存在最小的面積量子或體積量子。

圈量子引力需要面對的是“時間問題”。惠勒-德威特方程沒有時間變量，因而被認(rèn)為是描述了一個動力學(xué)凍結(jié)的宇宙，物理量都不發(fā)生變化。這似乎回到了公元前5世紀(jì)古希臘哲學(xué)家巴門尼德的觀點：變化僅是表象，本質(zhì)上不存在變化。時間真的是一種幻象嗎？該如何協(xié)調(diào)量子引力理論中不隨時間變化的本質(zhì)與我們經(jīng)驗感覺到的時間流逝之間的矛盾？圈量子引力的核心代表人物羅韋利（Carlo Rovelli）認(rèn)為，時間變量在基本方程中的消失并不意味著一切都是靜止的，恰恰相對，它表明變化是普遍存在的。只是基本過程不再能夠被形容為“一個瞬間接著另一個瞬間”，時間從量子事件之間的關(guān)系中產(chǎn)生，而這些量子事件正是世界本身。

時空觀念的后真相意義

真相時代的物理學(xué)中，時間和空間或時空是理論中的基本本體，在以流形為基礎(chǔ)的本體域中時間和空間或時空是連續(xù)的。進(jìn)入普朗克標(biāo)度，時空不再是基本的理論本體，而是涌現(xiàn)的。涌現(xiàn)的時空支持了關(guān)系主義的時空觀，與廣義相對論相一致。后真相時代的時空觀念不僅是革新的，與此同時它還蘊(yùn)含著新的“實在觀”、經(jīng)驗檢驗標(biāo)準(zhǔn)的弱化、新的因果觀念等。

隨著量子引力理論的研究，物理學(xué)家們普遍認(rèn)同的是，“時空”概念的消失。弦理論學(xué)家格林（Brian Greene）認(rèn)為在鉆研大自然最基本法則的時候，空間和時間的概念將自行消融。圈量子引力理論學(xué)家羅韋利認(rèn)為，在普朗克尺度下理解世界，我們可能要完全放棄時間的觀念，轉(zhuǎn)而用非時間的術(shù)語去描述世界。不同的量子引力理論學(xué)家關(guān)于時空的涌現(xiàn)卻保持了一致，他們都認(rèn)同時空是從某個更為層次的、非時空的物理中產(chǎn)生的，時空本身是宏觀近似的結(jié)果，是基本自由度在更大尺度上的集群效應(yīng)。

然而問題是，離散的結(jié)構(gòu)在什么程度上能解釋為是時空項，如何說明人們經(jīng)驗到的時間和空間，如何從某些模型近似得到廣義相對論的時空圖景，這是量子引力理論成功的必要條件。對于弦理論，當(dāng)不存在對偶時，背景時空可解釋為我們的現(xiàn)象學(xué)時空，當(dāng)量子化后的兩個背景形成一個對偶對時，原則上現(xiàn)象學(xué)的時空必須僅從對偶對所共有的物理內(nèi)容中構(gòu)建而來。對于圈量子引力，找到像閔可夫斯基時空這樣平坦時空的解，仍是一項挑戰(zhàn)。

另外的問題是，時空是從基本自由度中涌現(xiàn)的，那么基本自由度是什么，世界的終極構(gòu)成是什么？這遠(yuǎn)未達(dá)成一致。羅韋利認(rèn)為，粒子、光、空間和時間都在量子場中產(chǎn)生，它們都是一種實體——協(xié)變量子場的表現(xiàn)形式。30年前惠勒認(rèn)為“物質(zhì)源于信息”，今天物理學(xué)家們則修正為“物質(zhì)源于量子信息”，而對于從信息到時空或物質(zhì)的具體機(jī)制物理學(xué)家們則莫衷一是。在終極的本原問題遠(yuǎn)未可解之時，我們不由想到古希臘哲學(xué)家阿那克西曼德的阿佩朗（apeiron），或許實在的本原是一種非實在，是一種“道”，誰知道呢？！

伴隨著量子引力理論對時空觀念的革新，真相時代在連續(xù)時空觀念的基礎(chǔ)建立起來的許多觀念也需要革新，包括定域性、因果性、決定性等。在量子引力理論缺乏實驗啟發(fā)時，理論的尋求集中于數(shù)學(xué)和概念問題之上，時空問題成為了理論前進(jìn)的核心線索，哲學(xué)介入討論的意義也由此鋪開。后真相時代，時空問題成為物理學(xué)和哲學(xué)共同的關(guān)注焦點，科學(xué)與哲學(xué)在這里相遇，哲學(xué)的分析能夠為科學(xué)研究提供一定的洞察和創(chuàng)見。