在人类试图理解宇宙的漫长旅途中，时间和空间一直是最基本的概念。我们生活在一个由时间和空间构成的舞台上，所有事件在这个舞台中发生和展开。随着物理学的发展，时间和空间的本质和关系也在不断被重新定义。这个探索历程从牛顿的绝对时空，到爱因斯坦的相对论，再到现代物理中的量子和宇宙学。什么是量子泡沫？为什么施一公院士说“时间并不存在”？我们来一起揭示这个充满奥秘的时空图景。
从绝对时空到相对时空
17世纪，牛顿提出了经典的时间与空间观念。在牛顿的理论框架中，时间和空间是完全独立且绝对的存在。时间如一条均匀流逝的线，在任何条件和位置下都保持一致；空间则是一个无限延展的容器，其中物体自由地运动。时间和空间构成了一个不受物体或事件影响的舞台，所有的物理现象都在其上演。这一观念不仅奠定了经典物理学的基础，也形成了机械宇宙观的核心，认为宇宙如同一个巨大的时钟，由物体和力的相互作用所推动。
在相对论提出之前，牛顿的绝对时空观得到了广泛认可，尤其是在其著作《自然哲学的数学原理》中，牛顿对绝对时间和绝对空间的观点做了系统阐述。在牛顿的力学体系中，惯性系被定义为相对于绝对空间静止或做匀速直线运动的参考系，伽利略的相对性原理在牛顿的绝对时空观框架下得到了进一步阐述和发展。伽利略变换描述了不同惯性系之间的空间和时间转换，表明在不同的惯性系中，时间和空间的尺度保持不变。换言之，时间和空间不仅绝对，同时性也是绝对的——若在一个惯性系中两个事件被观测为同时发生，则在所有惯性系中皆为如此。
为论证绝对空间的存在，牛顿设计了一个著名的物理实验，牛顿桶实验：现有一个盛水的桶，最初桶和水都静止时，水面是平的。随着桶开始旋转，水与桶尚未同步转动时水面仍保持平坦；当水逐渐随桶同步转动时，水面呈现凹形。即便桶最终停止转动，水仍会继续旋转，且水面保持凹形。牛顿认为，水面呈凹形是由于水相对于绝对空间的旋转所引起的惯性，说明水的运动状态取决于某个绝对参考系，从而支持了绝对空间的存在。
图 牛顿桶实验
19世纪，麦克斯韦的电磁理论再次推动了物理学的发展。他通过方程组将电、磁、光统一起来。然而，当时物理学界普遍认为电磁波需要以太作为传播介质，这一理论存在一个关键问题：如果地球在以太中运动，那么地球移动方向上测得的光速应该有所变化，就像在逆风中行走速度变慢一样。科学家们试图通过迈克尔逊-莫雷实验来证明地球与以太间的相对运动，这是迈克尔逊和莫雷试图验证的出发点。
1887年，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷设计了一个精密的干涉实验，称为迈克尔逊-莫雷实验。实验装置主要包括一个干涉仪，它将光束分成两条路径，一条沿着地球公转方向，另一条垂直于地球的运动方向。通过比较两条路径的光程差，他们试图检测地球在以太中的运动，即所谓的以太风。
根据以太假说，如果地球在以太中穿行，沿地球运动方向的光速应该变慢，而垂直方向的光速保持不变。实验的设想是：当两个光束重新汇合时，会产生一定的干涉条纹偏移，表明光速受地球运动影响。然而，实验结果却完全出乎意料——两条光路的光速并没有任何显著差异，干涉条纹也没有发生预期的偏移。这一结果表明，无论地球是否在运动，光速似乎是相同的。但实验结果却表明光速不变，与地球的运动方向无关。这一发现与伽利略变换产生了冲突，因为根据伽利略变换，不同惯性系中的光速应随相对运动而变化，麦克斯韦的电磁理论在这一矛盾中站在了传统经典力学的对立面。
图 迈克尔逊-莫雷以太风实验
直到20世纪初，爱因斯坦的相对论出现，彻底颠覆了绝对时空的传统观念，解决了上述冲突。他提出，光速不变，且在任何惯性系中皆为常数，这一原理奠定了相对论的核心。
爱因斯坦通过狭义相对论指出，时间和空间并非独立的，而是密切相关并构成了一个四维的时空整体，每一个物体在宇宙中的位置不仅仅由三维空间坐标决定，还包括了时间坐标。在他的理论中，时间和空间不再是固定不变的。随着物体速度接近光速，时间在观察者看来会变慢，空间也随之收缩。爱因斯坦引入这一框架，赋予时间和空间统一的性质。
前文提到，狭义相对论的一个核心假设是光速不变原理，即无论观察者的速度如何，真空中的光速始终恒定不变。这个原理对于时间膨胀和长度收缩现象至关重要。无论观察者是否相对于光源运动，测得的光速总是相同。
爱因斯坦还提出了相对性原理，即物理定律对所有惯性参考系都是相同的，不会因为观察者的运动状态而改变。相对性原理与光速不变相结合，解释了为何时间和空间会随速度变化。这种现象表明时间和空间是相对的，依赖于物体的运动状态。于是更进一步，在广义相对论中，爱因斯坦揭示了引力的本质。引力并不是物体间的吸引力，而是由质量扭曲了周围的时空。可以将时空比作一张紧绷的橡皮膜，当一个质量较大的物体放置在上面时，橡皮膜会下陷形成一个凹陷，而其他较小的物体则顺着这一凹陷滑向大质量的中心。
量子泡沫
根据前文，在相对论中的描述，我们把视之为一个光滑、连续的四维结构，既可以描述天体的运行，也适用于物体在宏观空间内的运动。但随着量子力学的兴起，在微观尺度的量子世界，科学家发现时空的本质却显得远比我们想象的还要复杂神秘。
量子力学的核心之一是海森堡不确定性原理，也就是我们无法同时准确测定一个粒子的速度和位置。可以这样理解，在日常生活的尺度上，空间是可以精确测量的，位置也似乎是固定的。但在量子尺度，位置和速度的测量受到限制，粒子的行为也呈现出不确定性。这种特性在微小的时空尺度上意味着，空间也可能充满波动，不再是静止不动的，而是不断变化、极为活跃的。这种现象是宏观物理学无法描述的，但在量子物理中，它却是不可忽略的基本性质。
在这种不确定性背景下，科学家们提出了量子泡沫的概念。当我们观察极小的时空尺度时，空间并非如宏观世界那样平滑，而是呈现出类似泡沫的随机波动。这种泡沫由许多短暂生成和迅速湮灭的微小粒子和能量构成，形成了一个动态的结构。这就像在大海的表面上看到的波浪，尽管水面整体上是连贯的，但在特定的时空点上却存在着不断生成和消失的浪花。
科学家进一步推测，时空在量子水平上的表现或许是一种复杂的动态网络，而我们观察到的平滑时空只是其在宏观尺度上的表现。类似『于海』洋中的波浪在远观时显得连绵不绝，而微观观察则会发现无数涌动的水分子，量子泡沫展示了时空的基本组成可能是一个极为活跃的网络结构。这种量子泡沫现象不仅是量子力学的一个推测，也是连接量子物理与广义相对论的一个重要线索。爱因斯坦的相对论成功描述了宏观天体之间的引力关系，但在微观层面如何统一量子力学与引力理论，仍是科学界未解的难题。量子泡沫被认为是量子引力的一个表现，这意味着在极小的尺度上，引力也可能以一种全新的方式起作用。如果这些理论能够得到进一步的验证，那么量子泡沫或许会成为科学界理解时空的一个关键元素。
转载自：科普中国创作培育计划
