时间和空间到底是不是“一家人”?这个物理学官司从牛顿、爱因斯坦的时代一直打到了

时间和空间是“家人”吗？这场物理官司从牛顿和爱因斯坦时代一直打到今天。

古语有云：“谁笑到最后，谁笑得最甜”。但在物理学中，如果你想“笑”，你真的要小心，换句话说，“不要太高兴”，因为没有人知道他是不是最后一个笑的。

大约100年前，爱因斯坦推翻了牛顿的时空观，建立了狭义和广义相对论。当时笑的是爱因斯坦。然而，2009年，一位美国物理学家提出，在能量非常高的条件下不可能的物理学，人们可能不得不放弃爱因斯坦的时空理论，回归牛顿的旧时空理论。如果这是真的，那这一次恐怕是牛顿在笑。事情怎么可能天翻地覆？

爱因斯坦的时空媒人

时间和空间是人类历史悠久的概念。人们一直把它们视为世间万物的背景和舞台，脱离物质的运动。牛顿的时空观是基于我们的直觉。牛顿使用运动方程（也称为牛顿第二定律）来描述物体的运动。在方程中，时间和空间是完全独立的。时间和空间是用来描述物体的运动的，但它们本身与运动无关，就像演戏离不开舞台一样，但演什么、怎么演与舞台无关。

然而，19世纪末，物理学中出现了一系列难题，迫使爱因斯坦提出新的时空观，颠覆了牛顿的时空观。原本相互独立的时空，在爱因斯坦的安排下，在他的相对论中第一次“结婚”。

在相对论中，时间和空间不再相互独立，而是紧密相连，形成一个4维的时空，其中空间是3维的，时间是1维的。时间流逝的速度和空间的长度不再脱离运动。一个运动的物体，长度会变短不可能的物理学，时间会变慢。在广义相对论中，即使是自然界中最基本的力——引力，也被解释为空间的曲率。

相对论和量子力学不能并存

除了相对论，20世纪还产生了另一种革命性的理论——量子力学。但奇怪的是，在量子力学中，牛顿的旧时空观依然保留。也就是说，在量子力学中，时间和空间是相互独立的，它们只是为物质的运动提供了舞台……这样，我们可以想象相对论和量子力学是对立的许多基本问题。幸运的是，在应用方面，它们并没有违反河水。相对论主要适用于接近光速的高速运动粒子，以及具有大尺度空间结构的天体和宇宙，而量子力学主要适用于微观粒子。

相对论和量子力学也有更成功的结合，那就是描述高速运动的粒子。一方面，这种粒子以接近光速的速度运动，必须考虑相对论效应；另一方面，它们是微观粒子，因此必须使用量子力学。物理学家已经发展出一种称为“相对论量子力学”的理论来描述这种粒子。

根据相对论量子力学的思想，各种基本力都可以解释为传播力的粒子的交换。例如，电磁力通过在电荷之间交换光子起作用，就像两个人通过互相扔球来相互作用。核力也可以通过夸克之间称为“胶子”的基本粒子的转移来解释。然而，当物理学家按照同样的思路，将引力解释为一种被称为“引力子”的粒子在物质之间穿行时，却遇到了前所未有的困难，在计算中不时出现无穷大！- 这是物理学中理论失败的一个标志。

错在哪里？一个个被胜利弄得眼花缭乱的物理学家此时才意识到，错误可能出在相对论和量子力学在空间和时间上的根本对立上。如果这个矛盾不协调，相对论和量子力学就不可能真正齐头并进。

时间和空间是分开的

30 多年来，理论家一直试图将相对论和量子力学“融合在一起”，但收效甚微。

与此同时，相对论与量子力学的“争吵”正在升温，“争吵”的结果似乎对相对论不利。例如，相对论认为自然界不存在“超距离作用”，任何作用的传播都需要时间，传播速度不能超过光速，但实验发现一种现象叫做“量子纠缠”似乎是一种超距离效应。假设一个粒子衰变为一对正负粒子，衰变后正负粒子向相反方向运动。当它们相隔很远，比如一个去了银河系的中心，另一个留在了地球上，那么远的距离，它们还是有某种联系的。当其中一个被操纵（例如测量它）并且状态发生变化时，另一个位于银河系中心的瞬间变化，即使它们可能在数万光年之外。根据相对论，这两个粒子需要数万年才能相互影响，然后才能相互反应。

远距离作用的出现对爱因斯坦的理论是非常不利的。美国物理学家彼得·霍扎瓦提出了一个大胆的理论，认为为了建立一个令人满意的量子引力理论，人们应该抛弃爱因斯坦的时空观，回归牛顿的旧时空观。

据说 的灵感来自石墨烯中的电子运动。石墨烯是单层石墨，具有许多非常奇怪的特性。例如，室温下石墨烯中电子的运动远低于光速，因此此时无需考虑相对论来描述其运动，只要使用量子力学即可；而当石墨烯的温度降到接近绝对零时，电子的运动速度已经出乎意料地提高了，此时的相对论效应也不容忽视。

在这个例子中，在室温下不考虑相对论并不意味着相对论在这种情况下是无效的。其实考虑相对论的结果肯定会更准确，只是计算起来比较麻烦，对最终结果影响不大，所以没必要用刀“杀”鸡。”就是这样。

走得更远，考虑到相对论在其他情况下失败的可能性。例如，他推测当量子引力生效时（尺度在10-35米左右），相对论可能真的会失败。此时，时间和空间完全分离。在物理学中，这种状态是一种超高能状态，只出现在大爆炸的前几百万分之一秒内。之后，温度下降（类似于石墨烯中的温度下降），时间和空间变得纠缠不清，相对论开始发挥作用。

牛顿又笑了

通过这种思路， 修改了爱因斯坦的引力方程，得出了令人垂涎的量子引力理论，计算中不会出现无穷大。如果这个新理论是正确的，那么爱因斯坦的广义相对论就是霍泽理论在低能时的近似，正如牛顿力学是远低于光速条件下的相对论的近似。

保泽为牛顿的“一箭之仇”报仇雪恨。如果牛顿知道地下，他会笑得开心吗？

但这个新理论并不容易检验。它需要的能量远远超过地球上所能达到的。因此，目前只能算是“一家之言”。

但是物理学家已经渴望用新的理论来重新解释当前物理学中的许多困难。例如，物理学家曾经担心宇宙开始时的奇点，它的大小无限小，质量无限，这很奇怪。用保泽的万有引力理论研究宇宙大爆炸时，发现宇宙没有奇点，宇宙收缩到一定程度后，又会反弹膨胀。此外，也有人用新的理论来解释神秘的暗物质和暗能量。

爱因斯坦曾经把时间和空间放在一起，但现在它们分开了。物理学家在这次探索的过程中，加深了对宇宙的认识，加深了对时空的认识。