撰文/李淼   
    我們?cè)跁r(shí)空中體驗(yàn)時(shí)空的存在。例如，中國(guó)古代就有宇宙一詞，其中“宇”指的是空間，“宙”指的是時(shí)間。地質(zhì)年代的最大單位我們就翻譯成宙。康德曾就人類對(duì)時(shí)空的先驗(yàn)直覺有過(guò)深入的討論，而直到近代科學(xué)階段，時(shí)間和空間才有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)物理定義。在牛頓那里，時(shí)間是絕對(duì)的；雖然有伽利略相對(duì)性原理，牛頓也覺得有絕對(duì)空間存在。對(duì)于牛頓，時(shí)間空間是獨(dú)立的物理存在。而萊布尼茲對(duì)時(shí)空的理解更接近我們對(duì)時(shí)空的現(xiàn)代理解，即這些最基本的物理概念都有可操作的定義。例如時(shí)間的定義就是事件的次序，我們通常用周期性運(yùn)動(dòng)來(lái)定義時(shí)間單位。
    撇開時(shí)間的單向性，我們想問(wèn)，在物理學(xué)中，時(shí)間究竟是什么？很遺憾，直到今天，除了一些操作性的定義，我們并不知道時(shí)間究竟是什么。時(shí)間的操作定義與人們心理上感到的時(shí)間很類似，也就是說(shuō)，當(dāng)我們感到變化，我們覺得時(shí)間流過(guò)，或時(shí)間在流逝。所以，時(shí)間和變化即運(yùn)動(dòng)有關(guān)。為了量度時(shí)間，我們需要找到可以信賴的運(yùn)動(dòng)，例如天體在天空中的位置的變化。一天，就是太陽(yáng)升起落下和再升起，或星星在天上東升西落一個(gè)周期。一月，是月相變化的一個(gè)周期。一年，是地球繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期。所有這些都和周期運(yùn)動(dòng)有關(guān)。有時(shí)，我們覺得這樣定義的時(shí)間并不準(zhǔn)，這和周期是否是嚴(yán)格的有關(guān)?，F(xiàn)代授時(shí)技術(shù)已經(jīng)用到了原子鐘，這是基于某些原子的躍遷頻率。
    以上的時(shí)間的操作性定義基于一個(gè)假定，即時(shí)間的均勻性，或某種周期運(yùn)動(dòng)本身的均勻性。這看上去有點(diǎn)同義反復(fù)，但并不完全是這樣。時(shí)間的均勻性和時(shí)間的另一個(gè)性質(zhì)密切相關(guān)，就是物理定律在時(shí)間上的“平移不變性”，一個(gè)物理定律在一萬(wàn)年前是如此，一萬(wàn)年后也是如此。周期運(yùn)動(dòng)是物理定律的一個(gè)結(jié)果，所以周期運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期是均勻的。在牛頓力學(xué)中，時(shí)間是均勻流動(dòng)的，在愛因斯坦的狹義相對(duì)論中，時(shí)間同樣是均勻流動(dòng)的。時(shí)間的均勻性和物理學(xué)中另一個(gè)深刻的現(xiàn)象有關(guān)，就是對(duì)稱性意味著一個(gè)守恒的物理量。物理定律在時(shí)間上的平移不變性是一個(gè)對(duì)稱性，其對(duì)應(yīng)的物理量是能量，能量守恒和時(shí)間平移不變性是同義語(yǔ)。我很難用一個(gè)形象的辦法解釋為什么時(shí)間平移不變蘊(yùn)含著能量守恒，我們可以將這個(gè)關(guān)系作為物理學(xué)的一個(gè)結(jié)論接受下來(lái)。當(dāng)然，如果你接受量子力學(xué)的一個(gè)基本定律也能理解時(shí)間和能量的關(guān)系。在量子力學(xué)中，頻率與能量成正比，那么，時(shí)間的均勻性意味著頻率的不變性，也就是能量守恒了。
    在物理學(xué)中，無(wú)論是牛頓力學(xué)體系還是愛因斯坦的狹義相對(duì)論，空間也是均勻的，就是說(shuō)，你在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的定律，在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室同樣適用?？臻g的均勻性也意味著一個(gè)守恒量，就是動(dòng)量守恒。我們同樣可以利用量子力學(xué)解釋兩者之間的密不可分的關(guān)系。在量子力學(xué)中，動(dòng)量與波長(zhǎng)成反比，如果空間是均勻的，那么一個(gè)波長(zhǎng)傳播到另一個(gè)地方波長(zhǎng)不變，意味著動(dòng)量守恒。
    馬赫也許是歷史上第一個(gè)質(zhì)疑絕對(duì)空間的合理性的人，他的質(zhì)疑直接導(dǎo)致愛因斯坦開始思考時(shí)空問(wèn)題，以及后來(lái)發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。在愛因斯坦的理論中，時(shí)間和空間是有機(jī)的整體，相互之間可以有一定程度的互換，而且時(shí)間的流逝不再是均勻的，空間也是可以彎曲的。但時(shí)空還是有本質(zhì)的不同，比如因果律依然是嚴(yán)格的，即我們不能回到過(guò)去殺死我們的祖父。用專業(yè)的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是兩個(gè)事件的間隔可以是類時(shí)的（兩個(gè)事件可以有因果關(guān)聯(lián)），可以是類空的（兩個(gè)事件不可能有因果關(guān)聯(lián)），也可以是類光的（兩個(gè)事件可用光速運(yùn)動(dòng)連接），這三種間隔不可以互相轉(zhuǎn)換。
    時(shí)空在愛因斯坦的理論中已經(jīng)從牛頓的絕對(duì)存在變成和其他物理對(duì)象類似的概念，即是可變的，與物質(zhì)相互依賴。所以愛因斯坦說(shuō)過(guò)，時(shí)間是我們根深蒂固的幻覺。在現(xiàn)代弦論中，空間可以不是最基本的概念，有點(diǎn)類似水波那樣是衍生的概念：也許在宇宙極早期空間失去可觀測(cè)和可操作性。那么時(shí)間呢？很多弦論學(xué)家也懷疑時(shí)間可能是衍生的，雖然我們還沒有具體的例子。最近對(duì)引力作為熵力的研究也說(shuō)明空間是衍生的概念，而不是像我們過(guò)去認(rèn)為的那樣是最基本的概念。
    另外，雖然在現(xiàn)代物理理論中，時(shí)間還是單向和一維的，空間卻可以高于三維，額外的空間維因?yàn)楦鞣N原因我們不能直接感受到，例如尺度太小。
    我覺得，不論理論上還是實(shí)驗(yàn)上，我們對(duì)時(shí)空的概念必將面臨革命性的變化。