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根据规范场论,时空是我们与规范引力相互作用的幻觉,根本不存在

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老胡说科学 2021-06-17 12:15
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爱因斯坦的广义相对论既解释了引力,也解释了我们宇宙的形状,有大量的证据支持他的理论。广义相对论也对时间哲学产生了巨大的影响。这种哲学是爱因斯坦所相信的:时间是另一个维度,就像三维空间一样,宇宙是一个四维时空结构。

  • 阿尔伯特·爱因斯坦纪念馆内的雕塑。在他拿着的书上写着他著名的方程,包括爱因斯坦广义相对论的场方程。

爱因斯坦关于时间维度的观点一直被讨论。科幻小说、电影和电视剧,如《回到未来》、《星际迷航》和《神秘博士》都引用了他的理论,他们把时间旅行描述为从一个时间点到另一个时间点的旅行就好像我们从一个真实存在的地方旅行到另一个真实存在的地方。但两个时间真的同时存在吗,还是说“现在”是唯一存在的时间?

假设你是一个时间旅行者,想回到白垩纪去看一些恐龙。那些恐龙是在过去的某个地方,就像历史长河上的某个点?还是你需要以某种方式倒带世界,让它退化,回到过去?

似乎爱因斯坦的理论支持了前一种观点:所有时间都“同时”存在于时空中的某个地方。正因为量子力学否定了决定论,我们都知道,一旦上帝掷出骰子,我们将体验一个未来,而现在将成为过去。他的理论有充分的证据支撑,所以这似乎是板上钉钉的事。

但仔细思考他的理论,我们就会发现他的时空哲学是如何被融入相对论的,导致他以自己希望的方式来阐述它。

相对论的时间哲学

1905年在瑞士专利局工作时,爱因斯坦发展了现在被称为狭义相对论的理论。在这个理论中,它展示了我们对时间和空间的感知是如何随着我们的运动状态而变化的。我们很多人都熟悉这样一个概念:如果一个人或一件东西接近光速,我们就会看到这个人或一件东西在时间上减速(时间膨胀),长度也发生了变化。

当时,爱因斯坦并没有提出狭义相对论与时空几何有任何关系。现在我们经常在粒子加速器中观察到它的作用,粒子加速器可以将物质加速到接近光速。

几年后,数学家闵可夫斯基将爱因斯坦的思想融入到时空理论中。他可以证明,这些奇怪的时间“膨胀”和长度收缩,都是我们在一个相对的四维“时空”中移动的结果。爱因斯坦很兴奋地接受了这个想法,并将引力纳入其中。在他的理论中,时空是弯曲的,而这种弯曲在我们看来就像引力。他在1915年向世界提出了他的理论,在1919年,这个理论在日食期间通过太阳附近的星光的观测中得到了证实。


爱因斯坦的理论将宇宙描述为一个四维的“流形”,“流形”这个词指的是具有特定属性的形状。在这个“流形”里的人和事物必须遵循一条严格的规则:移动的速度不能超过光速。不幸的是,在闵可夫斯基的宇宙中,比光更快的速度是唯一可以回到过去的方式。但是,在爱因斯坦的理论中有一个漏洞。时空本身可以以这样一种方式形成,即点与点之间的某些路径比其他路径短,因此,即使你的速度不能超过光速,你也可以缩短两点之间的旅程。你也可以用“桥”把未来的一个点和过去的一个点连接起来。

爱因斯坦的理论将宇宙描述为一个四维的“流形”,“流形”这个词指的是具有特定属性的形状。在这个集合里的人和事物必须遵循一条严格的规则:移动的速度不能超过光速。不幸的是,在闵可夫斯基的宇宙中,比光更快的速度是唯一可以回到过去的方法。但是,在爱因斯坦的理论中有一个漏洞。时空本身可以以这样一种方式形成,即点与点之间的某些路径比其他路径短,因此,即使你的速度不能超过光速,你也可以缩短两点之间的旅程。你也可以用“桥”把未来的一个点和过去的一个点连接起来。

爱因斯坦“流形”的另一个性质是不存在普适时间这种东西。每件事都有它自己的“固有”时间。距离很近、运动状态相似的物体也会经历类似的时间流,这就是为什么我们在地球上都经历了几乎相同的时间流。地球上的普通速度的变化和引力场的微小差异非常微小,以至于只有超级精确的原子钟才能测量这些差异。

似乎所有这些关于时间和地点之间的桥梁的讨论和没有普遍时间的讨论意味着时间就像一条高速公路。我们都在自己的车里前进,体验着自己的时间之旅。有出口坡道和上坡道。所有这些都支持了这样一个观点,即我们想看到的恐龙就在我们身后的六千五百万年以前。一个时间旅行者只需要在时间的流动中“挣脱”,走一条捷径回到过去。

但事情并不是一成不变的。

事实上,广义相对论是根据爱因斯坦的哲学来制定的。它提出空间和时间有一个几何形状。如果一个物体有一个几何形状,它在某个时间或某个地方必须包含所有存在的点。这部分理论没有证据,因为该理论的所有测试都是在宇宙的一小块区域内进行的(地球及其周围)。甚至对深空的观测也可以通过观察“古老的光”来实现,这些光已经经过了数百万年或数十亿年才到达我们这里。

爱因斯坦公式有一个问题。问题是,爱因斯坦从具有几何形状的时空跳跃到任何“自由落体”的物体,即没有受到外力的物体,在那个时空中遵循“测地线”。测地线是曲线几何中最短的直线路径。。在地球上,测地线是两点之间的“大圆”路径。因此,它总是把地球分成两个相等的部分。



我们都知道,如果你在海洋上,沿着一个恒定的方向航行,你不会沿着一个大圆的路径。相反,你会遵循一个“恒向线”路径,这根本不是最短的直线路径。为了遵循一个大圆的路径,你需要做周期性的路线修正。在爱因斯坦的弯曲时空中,有一种机制可以做出这些航向修正,那就是引力。但现在看来,这个理论有两个独立的部分:一个是弯曲的时空,就像地球,另一个是使我们服从弯曲的力,引力,就像船长。

奥卡姆剃刀告诉我们,我们不应该发明没有任何目的的东西,所以如果我们想解释引力,我们可以摆脱弯曲的时空而保留引力,这似乎是合理的。我们需要一个坐标系来分隔物体,但我们不需要爱因斯坦的几何理论。

规范引力理论的时间哲学

1950年,内山菱友(Ryoyu Utiyama)创立了另一个版本的广义相对论,叫做规范引力理论。规范理论随后爆发,并解释了所有其他的力:弱力、强力和电磁力,成为现在所知的量子物理的标准模型。所有规范理论都有一个几何解释,但对于其他力,它不是基本的。其他力的几何形状存在于由复数构成的空间中,所以它们不是那么直观。尽管如此,大多数关于引力的描述还是采用了几何方法。规范理论引力的优势在于它将引力作为一种力呈现出来。

现在让我们回到高速公路的类比。在爱因斯坦的曲线流形理论中,我们行驶在高速公路上,过去是“在后面”,而未来是“在前面”。然而,在规范理论的版本中,我们可以在跑步机上,周围有屏幕显示风景,就像某种赛车模拟器。两种情况下施加在我们身上的力是相同的(它们在数学上是等价的)。时空坐标,不是代表流形上的一个点,而是一个构造,帮助我们把不同的事件标记为彼此不同的事件。当我从一个地方旅行到另一个地方时,规范理论告诉我当我穿过这段“距离”时会发生什么。它还告诉我,不同的人(相对论中的“观察者”)会有不同的体验,这取决于他们如何与规范引力相互作用。

假设宇宙不是流形。假设在现实中,根据爱因斯坦的理论,你既没有经历空间上的运动,也没有经历时间上的运动,而是与一种规范力相互作用,使它看起来好像你在运动。这意味着,不仅过去不是在某处,而且其他地方也不是确切地在那里。更确切地说,从一个地方到另一个地方或从一个时间到另一个时间,你与规范引力相互作用,引力会像跑步机一样平移、旋转、扭转和加速你。

虽然规范理论目前对物理测量没有什么意义,因为它在数学上等同于广义相对论的几何形式,但它有哲学意义。如果过去和未来不存在,那么它们可以在我们和宇宙之间的相互作用中创造出来,特别是当我们将量子的不确定性引入其中时。

从物理学中得出哲学结论是危险的,更危险的是将一种物理理论的解释作为唯一的解释。如果哲学史有什么指导意义的话,人们会根据自己希望的真理来选择立场。就我个人而言,我喜欢这样的想法:我的选择很重要,未来由我来选择。像爱因斯坦这样的人会希望有一个宇宙,在那里他们不必为自己的行为负责。如果物理学的历史可以作为指导,当我们认为我们已经理解了宇宙的意义时,它将揭示出我们仍然没有线索。

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