丹·福爾克

如果宇宙中的所有物質(zhì)都瞬間消失，空間是否還會存在？艾薩克·牛頓的答案是肯定的。在牛頓的眼中，空間就像《星際迷航》里的全息甲板——一個三維的虛擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)，上面投射有模擬的人和物。正如牛頓在其《原理》中所寫：“絕對空間，就其本性而言，與外界任何事物無關(guān)，而且永遠是相同的和不動的。”

這一理論在日常生活中頗具說服力。我向東走，你向西走，但郵局仍在原地不動：參照系保持不變。但與牛頓同時代的德國數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家萊布尼茨不相信絕對空間這個觀點，認為如果組成宇宙的眾多物體都消失的話，空間就不再具有任何意義。事實上，如果將太空作為觀察對象，萊布尼茨的理論會更站得住腳，因為在太空中，你能注意到的只有你和太陽的距離，以及彼此間相對運動的眾多行星。萊布尼茨認為唯一合理的解釋是，空間是“相對的”：空間只是你與其他物體間不斷變化的距離以及其他物體彼此間的距離，并非“絕對現(xiàn)實”。

這與牛頓的看法恰恰相反。絕對空間的影響非常容易觀察，牛頓也通過旋轉(zhuǎn)水桶實驗對其進行了證明。實驗聽上去很簡單，但它引發(fā)了時至今日仍未停止的關(guān)于空間、時間、運動、加速度和力量的爭論。

從原理上講，牛頓要求人們想象被繩子吊著的一桶水。將水桶朝順時針方向轉(zhuǎn)動，繩子就開始被擰緊。放手后會發(fā)

生什么？木桶會逆時針轉(zhuǎn)動，先慢后快。與此同時，正如牛頓描述的，“水的表面會從中心下降，并在桶壁升高，就像一個漏斗一樣”。一開始，木桶和水同時轉(zhuǎn)動，最終，木桶轉(zhuǎn)速變慢，并反方向轉(zhuǎn)動；水的轉(zhuǎn)速也放緩，水面逐漸歸于水平。

高中生都學(xué)過的離心力與此實驗有些關(guān)系，但到底是什么使水沿著桶壁升高呢？牛頓認為，它不是水相對于水桶的

運動，因為當(dāng)水轉(zhuǎn)動最厲害時，水的表面變化最大，與水桶同步。當(dāng)然，木桶和水相對于地球在轉(zhuǎn)動，但這也不是答案，因為如果在太空中進行同樣的實驗，結(jié)果是一樣的。

在牛頓看來，對水桶實驗的唯一解釋是，水相對于絕對空間在旋轉(zhuǎn)。這也與慣性力有關(guān)，慣性力拒絕物體在運動速

度和方向上的任何變化。當(dāng)水桶和水轉(zhuǎn)起來時，桶壁阻擋了水的直線運動，使其沿桶壁推升。

為什么物體本身具有慣性力？奧地利物理學(xué)家馬赫相信，任何關(guān)于運動和慣性力的解釋，包括水桶中水的運動，都

與宇宙中其他的物質(zhì)有關(guān)。在馬赫看來，地球本身也是放大版的水桶：自數(shù)十億年前太陽系形成后，地球就開始旋轉(zhuǎn)，赤道也像旋轉(zhuǎn)木桶中的水一樣“突出來”。

如果地球停止自轉(zhuǎn)，而它周圍的行星和恒星圍繞它轉(zhuǎn)動，赤道還會突出來嗎？

牛頓的回答是否定的：沒有旋轉(zhuǎn)，就沒有突出。但是馬赫認為答案取決于物體的慣性力從何而來。如果物體的慣性力是宇宙中眾多物質(zhì)產(chǎn)生的某種作用的結(jié)果，那么行星仍然會有突出，因為其他行星和恒星仍在它周圍旋轉(zhuǎn)。這便是馬赫的相對理論：不止運動是相對的，慣性力也是物體和宇宙中其他物體之間的關(guān)系。如果馬赫的觀點是正確的，恒星和星系，或遠或近，都在某種意義上塑造了地球的形狀，以及水在牛頓水桶實驗中的漏斗造型。但是馬赫并沒有說明那些遙遠的恒星和星系如何發(fā)揮自己的作用，即使到了今天，答案仍然很不明朗。

年輕的愛因斯坦可能是馬赫最忠實的讀者，他努力將這一觀點命名為馬赫原理，并將這一原理與他的引力理論——

廣義相對論——相結(jié)合。

愛因斯坦理論的巨大成功是對牛頓絕對空間的最后一擊。但是沒有了絕對空間，我們?nèi)砸紤]如何解釋牛頓的木桶實驗。在其暢銷書《宇宙的構(gòu)造》中，物理學(xué)家布萊恩·格林指出，盡管愛因斯坦的理論排除了牛頓的絕對空間，但仍說明時空這一四維空間結(jié)構(gòu)是絕對的。人們可能會在游行的持續(xù)時間或游行隊伍間的距離上有分歧，但是在游行隊伍的起點和終點之間的時空距離上沒有分歧。這比較難以想象，因為我們不能同時看到四個維度，但愛因斯坦的理論公式可以證明這一點。

但是，這還不是格林對物質(zhì)的最終論斷。物理學(xué)家認為賦予粒子質(zhì)量的希格斯場充斥整個宇宙。雖然愛因斯坦的時

空可以作為測量加速度的參照系，但希格斯場有一點做得更好：它對任何通過它的物質(zhì)產(chǎn)生阻力，這樣就可以解釋為什么物體一開始就具有慣性力。

還有一個想法來自亞利桑那州立大學(xué)的物理學(xué)家保羅·戴維斯。他指出，“空”的空間其實是亞原子粒子彈進或彈

出而形成的一個短暫的沸騰的泡沫，并認為這種量子的“真空嬉鬧”可以替代絕對空間。

現(xiàn)在，由牛頓的水桶實驗引發(fā)的有關(guān)空間和運動、質(zhì)量和慣性力的觀點仍在困擾著物理學(xué)家和哲學(xué)家。某種東西使

水沿著桶壁上升，但它究竟是時空構(gòu)造、希格斯場還是某種量子泡沫，仍有待觀察。

延伸閱讀宇宙源于一維？

文/Lisa Grossman

粒子物理學(xué)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型雖然可以解釋絕大部分的宇宙，卻在大爆炸后的高能狀態(tài)下失效了。這是致命的問題。例如，標(biāo)準(zhǔn)模型始終無法解釋為何宇宙在加速膨脹，而且也無法把宏觀和微觀物體的物理規(guī)律相連接。絕大多數(shù)理論物理學(xué)家認為，這種缺陷意味著高能狀態(tài)產(chǎn)生了新的物理規(guī)律，可能包含了新粒子和額外的、不可見的空間維度。

布朗大學(xué)的物理學(xué)家格雷格·蘭茨貝格和同事提出了使標(biāo)準(zhǔn)模型適用于高能情況的簡單方法：讓宇宙的維度消失。如果炙熱的新生宇宙只有一維，隨著它的擴張和冷卻才獲得更多的維度，那么一些物理學(xué)的頑疾就神奇地治愈了。

蘭茨貝格建議把這種維度減小的宇宙想象成手織的掛毯。這個掛毯描繪了三維世界的場景，人物和景觀的透視與現(xiàn)實相同。但是如果向它靠近，會發(fā)現(xiàn)它越來越像一塊二維的布。而在放大鏡下看，才發(fā)現(xiàn)它其實是一根一維的線通過復(fù)雜的方式組合在一起的。