19 世纪英国作家查理斯·兰姆曾写道:「世间万物没有任何东西像时间和空间那样使我困惑。然而,因为我从来不去思考时间和空间,所以它们带给我的烦恼比任何其他东西都少。」我们的绝大多数人都不会去忧虑时间和空间,但却很想知道时间和空间是什么,它们从何而来。
早在17世纪,人们很少把时间和空间联系在一起,都以为时间和空间是相互分离的。时间在牛顿经典模型中是一根无限的「线」,或是两端无限延伸的「铁轨」,从无限的过去向无限的将来永远流失。时间被认为是永恒的,它独立存在于宇宙中发生的事物。而空间有可能是在几千年前以多少和现状相同的形态创生的,或者本来就有的。空间的最明显之处是它无限地向外延伸,是无边无际的。
20 世纪初,爱因斯坦研究发现,光速是恒定的,时间、空间与物质密切相关,时间与物质运动速度成反比。在此基础上,他提出的广义相对论,开创性地把时间和空间合并形成所谓的时空,认为空间和时间总是相互缠绕在一起的,而当空间诞生之后,时间也就诞生了。时间和空间的存在不仅不能独立于宇宙,而且它们之间也不 能相互独立,时空是弯曲的,是有形状的。时空曲率越大,时间随之变慢。至于时间和空间具体是什么以及什么时候产生的,这是科学家一直在探索的奥秘。
普遍接受的观点认为,空间和时间是在奇点大爆炸以后产生的。空间是大爆炸之后不断膨胀形成的,时间也是在大爆炸以后不断延续出现的。量子力学 理论认为,在大爆炸之前,没有空间,也没有时间,一切都处于量子状态。在 奇点大爆炸之前,奇点几乎是一个没有任何空间的无限小的点。真正的空间概念是从大爆炸之后才开始产生的。
科学家认为,在大爆炸之前,宇宙只是一个奇点,甚至都算不上物质。大爆炸之后,才产生了真正意义上的物质,而空间就是依赖于物质产生的,有了物质才有了一个可以衡量的边界和大小。空间就是随着物质的出现应运而生的。因此,空间是在奇点大爆炸之后产生的。
现代宇宙学理论认为,宇宙大爆炸「之前」没有时间可言,时间是奇点大爆炸的瞬间产生的。那么这个「一瞬间」是多少呢?科学家通过精密计算,这个瞬间就是10-43 秒的时间,这就是布朗克时间。这是迄今为止人类已知的最小时间单位,而且再也没有比这更短的时间存在了。
也就是说,在大爆炸之后的10-43 秒,时间便产生了(霍金,1988)。科学家通过对空间进行测量和计算,得出了宇宙的年龄为138 亿岁,这就是公认的宇宙的年龄数据。
在现实生活中,我们对于时间的理解似乎更有道理、更为透彻,甚至最有发言权。我们觉得时间是绝对的,是独立于事物而存在的。但按照爱因斯坦的 广义相对论,整个四维世界是由传统上的长、宽、高三个维度,加上时间维度结合而成的,这就导致在不同地方的时间往往存在差异的现象。
因此,我们普通人对时空的理解与科学家的思考角度是不同的。科学家对时空的理解是这样的:空间和时间紧密相连,时间依赖空间而存在。时间并不是以一种绝对的形式存在,每一个物体都有自己的时间维度,它们依赖于自己 所处的空间以及所进行的运动(布森特,2007)。
科学家试图用最简单的描述,来表达基于广义相对论的时空关系:在一条平坦的毛毯上放一个大铁球,那么在毯子的中间会出现下陷,这种下陷就类似于太阳在时空中产生的作用,大铁球会让毯子伸展和弯曲。
这时候,如果我们拿着一个小铁球从毯子上滚过去,小铁球在开始的时候会试图按照直线运动原理做运动,可是一旦它接近大铁球所在的地方,就会慢慢地滚向凹陷之中。对于整个时空来说,这就是引力的作用,而时间和空间在这个时候都是弯曲的,而两者之间也总是相互关联的,而不会独立存在(布森特,2007)。
为了更好地理解这种表述,美国科普作家比尔·布森特做了一个奇怪的假设。把三胞胎分别安放在高山顶上、地球表面、地下深洞中,如果排除一切外在因素(气候、食物、疾病、灾难等)的影响,那么变老得最快的应该是高山顶上的孩子,老得最慢的应该是地下深洞中的孩子,而地球表面上的孩子的 变化则介于两者之间。
听上去有点不可思议吧,但就广义相对论而言,这是一种正常的自然现象。因为在接近地球甚至更大质量的物质(体)时,时间会过得稍慢一些,这是由光能量及其频率、引力关系所致(爱因斯坦,1905)。
此外,科学家于1962 年还尝试地做了一个非常有趣的实验,他们分别在水塔的顶、底两端放置了精确的钟表。最后发现,过了一段时间之后,水塔底端的钟表所走得时间更慢一些。这似乎间接地佐证了「三胞胎孩子」假设神奇的合理性。
诸如此类,科学家的这些发现很神奇吧?从这些发现你想到了什么?得到 了哪些启示呢?比如,在选择购买新房的时候,你是为了照顾高空景观觉得楼 层越高的房子越好呢,还是为了图方便觉得下面几层的楼房好呢?相信你会从 中找到自己满意的答案。