如果空间和时间并非真实存在？

物理学之所以进步，是因为它不断挑战了我们的直觉。但现在，为了进一步的发展，我们可能需要重新考虑那些我们认为最基本和直观的概念——时空本身。物理学主要描述物体如何在时空中运动。它们是物理学展现的舞台。但当涉及到最微小的尺度和最大的能量时，这个舞台开始崩溃，物理学随之崩溃。许多人认为，要使物理学再次完整，唯一的方法是打破我们迄今为止最强大的直觉。在我们的思维中，时空似乎非常基本，但这种首要地位可能不超出我们的思维范围。

在许多推动物理学边缘的新理论中，基本层面的时空并不是我们认为的那样。我们将在接下来的内容中探讨时空的“真实性”。我们会问：我们的思维是否对外部真实的东西有一个忠实的表现，如果没有，为什么我们会这样考虑时空？如果时空不是基本的，那么什么是基本的？时空是从哪里产生的？但今天我们首先要探讨绝对的时空概念是如何产生的，以及这个概念是如何开始崩溃的。我们有这样一个对空间的感觉，它是一个延伸的空虚——一个等待被物质填充的体积——一个规则的、连续的、可以映射的空间，其中包含了所有存在的东西。

与此同时，时间持续不断地从未来流逝到过去，一切都受到一个恒定不变的时钟的影响。但是，空间和时间被认为是“独立存在”的，与它们包含的内容无关。这种观念在物理学中被确认的同时，也在近期的普遍直觉中得到了认同。然而，人们已经为时空的现实性或基础性争论了几千年。我们可以总结时空的两大观点为：一种是关系性的——视空间为物体之间位置关系的网络；另一种是绝对的——视空间为独立于物体并包容物体的真实存在。似乎后一观点在近期才逐渐被人们接受。让我们从古人开始。他们显然对空间进行了深入的思考，毕竟他们制作了地图并发明了几何学。但欧几里得和毕达哥拉斯等人的几何学并不需要将空间视为一个绝对的实体——它们是关系性的。例如，三角形是由其边的相对长度和其内部角度来定义的。

你不需要一个坐标网格来定义一个三角形——这很好，因为古希腊人没有这样的坐标系统。当然，他们的地图上有经度和纬度，但他们并没有我们现代的习惯，也就是在空白空间上建立x、y和z轴。因此，他们并不倾向于认为空的空间有其自己的独立存在。坐标网格的概念要晚得多。也许你听说过笛卡尔坐标系。x，y和z轴，每个轴与其他轴成90度，并进行网格化，以便空间中的任何点都可以用三个数字来定义——每个轴上最近的网格标记的值。有了坐标系，我们可以在空间中表示抽象的数学概念，例如绘制代数函数。同时，这个系统也使我们能够描述无限大或者想象中的物理空间，这种描述方法很快将对整个物理学产生深远的影响。

关于空间的真实性，笛卡尔坚定地支持像柏拉图这样的哲学家观点，认为不存在真正的虚空。对于笛卡尔来说，空间的真实性仅在它描述物体和物质的范围时才存在。但真正的数学坐标系统的出现为一种与之截然不同的空间观念打开了新的可能性。

这种新观念几乎完全归功于艾萨克·牛顿。他给了我们一套方程，似乎可以完全描述物体的运动以及这些运动如何通过它们相互作用的力量而改变。牛顿力学建立在笛卡尔坐标上，并假设有一个普遍的时钟。这种机械学证明了极大的成功—真正的革命。成功到许多人，包括牛顿在内，开始认为机械学的基础组成部分—空间和时间的坐标—在某种程度上是物理存在的。牛顿本人坚称空间是绝对的；它完全独立于其中的任何物体存在。笛卡尔网格所暗示的空的体积本身就是一个实体。根据牛顿的说法，时间也是绝对的。从亚里士多德到笛卡尔，“时间”大多被理解为事件的计数。但在牛顿的观点中，存在一个统一的普遍时钟，对所有观察者来说时间都是相同的—即使在没有任何变化的情况下，时间也会“自己”流逝。

牛顿还相信存在一个绝对的静止概念。也就是说，有一个参考系的x，y和z轴是不动的，如果您的位置相对于这些轴是固定的，那么您就是真正静止的。这与一个世纪前伽利略的观点相反，他向我们展示了速度是相对的—您为另一个旅行者测量的速度取决于您自己的速度。在任何非加速或惯性参考系中，物理定律都是相同的，因此所有这样的参考系都是平等的。尽管牛顿接受了伽利略相对论的数学后果，但他认为我们在定义一个首选惯性框架时遇到的困难是人类思维的局限性，而不是宇宙的局限性。

牛顿力学的成功提高了空间和时间在每个人心中真实性的观念。但是有一个突出的反对者。牛顿有一个仇敌。或者可能是牛顿想成为这家伙的仇敌。好吧，他与德国数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼兹表演了一个相互的敌意关系。他们最著名的竞争是关于微积分的发现，他们独立地找到了答案—莱布尼兹可能首先得到了它。然而，牛顿指控莱布尼兹抄袭，并且作为当时最有影响力的科学家，他确保了这项荣誉归于自己。但这两者之间的另一个争议点是关于空间和时间的性质。

莱布尼兹并不接受牛顿的说法，即这些维度在某种意义上是真实的，独立于其中的任何事物。相反，他认为空间和时间都是相对的。那到底意味着什么呢？好吧，这意味着物体确实存在，但它们不生活在一个三维或任何其他维度的空间中。

相反，我们认为的空间分离是物体本身的一种质量，或者更确切地说是它们之间的连接。让我试着给你一种感觉，对于空间如何在物体或它们之间的关系中编码，而不是独立于这些物体存在的意义。让我们从只想象一个空间维度开始，用线来表示。这是一个牛顿空间，每个点代表一个1-D宇宙中的绝对位置。我们可以把一些粒子放进这个宇宙。空间中每个的位置都是由它在空间中的位置定义的，无论我们是否添加了一个坐标系统，它都在那个网格标记旁边。

这些粒子可能有内在或内部属性，例如，质量，电荷等，但它们的位置不是粒子本身的一个量。在莱布尼兹的观点中没有空间，所以我们摆脱了线。粒子仍然存在，但它们不在任何地方。它们只是一堆没有大小或位置的属性的包。空间不存在，所以也许我们应该将这些粒子放在彼此的顶部，但再次，如果位置是无意义的，我们也可以分开它们，这样我们就可以看到它们。让我们为每个粒子添加一个我们称为X的新属性。X是我们称之为自由度的东西—粒子的某些属性可以采用不同的值，它可以改变。

自由度的其他例子可能是能量和相位和旋转等。X具有特定的行为方式。例如，它可以自由变化。如果它在变化，那么它会以相同的速度和方向持续变化。这些粒子对彼此的存在一无所知，除非在特殊情况下。例如，如果两个粒子的X值接近，则这些X值会相互影响，改变指针转动的速度。也许它们希望尝试变得更相似，或者它们试图变得更不同。如果我们用数字线上的位置来表示这些X值——一个x轴——那么粒子的行为就像粒子在空间中移动，并只在它们靠近时相互吸引或排斥。

我们无法分辨粒子在空间中的移动与从粒子内部的自由度中出现的空间样行为之间的差异。这个思想实验并不是莱布尼茨所描述的，也不是解释我们的宇宙应该是如何的。首先，我们需要3个空间维度，而不是一个。X、Y和Z都必须彼此接近才能使粒子相互作用。此外，莱布尼茨认为位置是编码在粒子之间的关系中，而不是在物体本身中。他给他的基本粒子起了一个名字——单子——其中有一些拥有初级意识，而空间是从它们对彼此的第一人称视角中出现的。

但我们实际上不需要这些额外的特质——具有相互作用的内部自由度的粒子的想法说明了空间是如何从元素之间的关系中出现的，而这些元素本身并不在空间中。所以这就是莱布尼茨对空间的看法。他以相似的方式与牛顿对时间的看法不同，认为它是每个元素内在变化的度量，而不是保持宇宙同步的宇宙时钟。

当然，那时的牛顿是科学界无可争议的大佬，所以他对绝对空间和时间的偏好赢得了物理学家的支持，并最终进入了大众的意识中。

但谁才是真正对的？物体是在空间中并通过时间移动，还是空间和时间以某种方式存在于物体及其连接中？维度是绝对的还是关系的？下一个重大发展似乎支持了牛顿。在19世纪，我们对电和磁的现象的理解融合在一起，揭示了所谓的电磁场的存在。场只是某种属性，可以在所有空间点上取得数值。例如，温度是在你周围的空气中定义的场。这是从空气粒子的属性中出现的。但电磁场不需要粒子。首次，场似乎可以是空间本身的属性。那么，如果空间可以有属性，那么空间必须客观地存在。而随着量子力学的发展，更多的内在属性浮现出来——例如，即使在没有粒子的情况下，空间也被显示为具有某种能量——所谓的真空能量。

但是，如果我们真的想决定空间和时间是否是真实的——为了在莱布尼茨和牛顿之间做出判断——我们需要最终的仲裁者。我们需要有史以来最伟大的空间和时间专家——那就是阿尔伯特·爱因斯坦。我们之前多次讨论过爱因斯坦的狭义和广义相对论。

让我们再次回顾这个理论是如何改变我们对维度观念的。在狭义相对论中，3-D空间和1-D时间的分离结束了。它们变成了4-D时空。爱因斯坦表明，我们在空间中的运动和我们在时间中的运动是相互联系的。相对于您移动的时钟从您的视角看起来走得更慢。

然后通过广义相对论，我们看到质量和能量的存在拉伸和扭曲了空间和时间。这导致我们在笛卡尔坐标系上期望的直线轨迹变成了曲线，而物体在质量存在下的路径的明显变化是爱因斯坦对重力的解释。

相对论推翻了牛顿关于绝对空间和时间的一些观念：它们是独立的实体，存在时间的通用时钟，以及空间的某种终极、严格的坐标系统。但这些对于本文的中心问题意味着什么：关于空间和时间的真实性呢？实际上，爱因斯坦的宇宙中的时空感觉比之前更为实质性。

它就像一块可以被扭曲的布。它可以储存能量。它甚至可以传播波——引力波。爱因斯坦证明空白的空间具有性质，所以它必须是真实的，对吧?也许是，但爱因斯坦的观点与牛顿的完全不同——爱因斯坦甚至称自己为莱布尼兹式的。

牛顿相信空间是一个基础舞台，在这上面粒子和场在跳舞。但爱因斯坦坚称这样的背景不存在，因为对他来说，空间和引力场是同一回事。这个场不是绘制在坐标系统之上；相反，坐标系统是场的一个特性。如果没有这个场，那么什么都没有。所以，这让爱因斯坦的观点处在在莱布尼兹和牛顿之间。他相信外面有一个可以容纳物体的扩展结构，并且可以在其上定义距离和持续时间，但它并不像牛顿那样绝对和基本。

如果爱因斯坦是对的，那么笛卡尔是对的，柏拉图也是对的：没有所谓的空白空间。引用爱因斯坦的话，“没有空场的空间”。那么爱因斯坦最后的说法对吗？远非如此。我们知道，在非常小的尺度上——小于10^-35米，也就是普朗克长度，广义相对论就会崩溃。在这里，它与量子力学发生冲突，变得不可能有意义地定义更短的距离。定义比普朗克时间更短的持续时间同样没有意义。爱因斯坦的理论和量子力学之间的这种冲突是进入物理学下一级的主要挑战和灵感来源。

基本上，所有可能的前进路径都迫使我们重新思考我们对维度的理解，无论是像弦理论那样增加它们的数量，还是像我们讨论过的环量子引力那样使它们从那些不在空间内存在的元素中出现，如沃尔夫拉姆物理项目的细胞自动机，或在全息地平线上元素之间的纠缠，或从阿卡尼-哈梅德的振幅体中出现。

如果这些后者中的任何一个是真的，那么莱布尼兹可能有所发现；空间存在于某种基本的东西之间的关系中，而不是作为一个绝对和物理上真实的结构。莱布尼兹还有另一个有争议的观点：他认为空间在我们的头脑中。这并不是说现实存在于我们的思维中，甚至也不是说空间不存在。

相反，莱布尼兹觉得那些像空间那样表现的东西只有当我们的大脑试图组织被一个完全更抽象的性质分隔的物体时才会获得深度、宽度、高度和距离的主观感觉。这有点像大脑解释光的频率时只有红色的主观体验。

很难想象一个没有空间或时间的宇宙。维度似乎与我们的大脑硬连线在一起。也许为了在物理学上前进，我们需要打破这个先入为主的观念。如果是这样，我们需要探索我们的大脑是如何构建我们非常有说服力的空间和时间内部世界的。

文中概念解释：

沃尔夫拉姆物理项目是由Stephen Wolfram及其团队推出的一个研究项目。该项目的核心目标是通过一个简单的规则系统来发现宇宙的基本理论。Stephen Wolfram提出，与其从传统的物理方程出发，不如从超简单的计算规则出发，并看看这些规则如何随时间发展并产生复杂的行为。沃尔夫拉姆认为，通过这种方法，我们可能会发现宇宙的基础操作和结构。这意味着从最简单的规则开始，然后观察这些规则如何演变，可能揭示了自然界的基本法则。这个项目与传统的物理方法存在明显差异，因为它不直接基于既有的物理定律或方程，而是试图从计算的角度重新审视宇宙的结构和行为。沃尔夫拉姆物理项目提出了许多有趣的观点和模型，但它仍然是一个在学术界有争议的话题。一些物理学家认为这种方法可能太过简化，而其他人则认为它提供了一个全新的、有潜力揭示宇宙真相的视角。

阿卡尼-哈梅德的振幅体是一种在粒子物理中用于描述散射振幅的数学结构。它不仅为计算散射振幅提供了一个新的和更简洁的方法，而且在其结构中不包含传统的空间和时间观念。振幅体的引入打破了标准的费曼图方法，并为理解量子场论的更深层次结构提供了新的视角。这个观点从更基础的原则开始，例如单位性和局部性，而不是常规的空间和时间观念。振幅体提供了一个空间，其中粒子相互作用的各种可能性都可以被视为其不同的点。简而言之，阿卡尼-哈梅德的振幅体为我们提供了一种重新思考和计算粒子如何相互作用的方法，而不必依赖传统的、基于费曼图的方法。

引力波是由爱因斯坦的广义相对论在1915年所预测的物理现象。简而言之，它们是由于宇宙中的某些质量变化（如两个黑洞的合并）引起的时空扭曲的波动。这些波动像水面上的波纹一样传播，只是在这种情况下，它们传播的是时空的“形状”或结构。当引力波经过一个区域时，它会使空间轻微地伸展和压缩。这种效应非常微小，以至于直到2015年，科学家们才首次直接探测到引力波。探测到的引力波来自于两个并合的黑洞，这一事件被称为GW150914。探测到引力波的设备是激光干涉仪，通过检测两个非常长的垂直臂中的激光束的相互干涉来测量微小的空间变化。

CMB是“宇宙微波背景辐射”（Cosmic Microwave Background）的缩写。它是宇宙大爆炸之后留下的辐射，是宇宙初生时期的一个快照。CMB为我们提供了大爆炸模型的强有力证据，并被用作研究宇宙的早期条件和宇宙学模型的基础。

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