隨著20世紀(jì)以來(lái)基礎(chǔ)物理學(xué)研究的不斷深入，以超弦和圈量子引力為代表的量子引力研究已經(jīng)進(jìn)入普朗克標(biāo)度，這意味著科學(xué)進(jìn)入了后真相時(shí)代。真相時(shí)代以廣義相對(duì)論和量子力學(xué)為代表的科學(xué)，結(jié)出了標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型和粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型等豐碩的果實(shí)，代表著關(guān)于時(shí)空與物質(zhì)實(shí)證性認(rèn)識(shí)的新高度。然而，隨著量子引力理論的探索，真相時(shí)代所形成的關(guān)于時(shí)空與物質(zhì)的觀念受到了挑戰(zhàn)，量子引力理論給出了更為本質(zhì)的關(guān)于時(shí)空與物質(zhì)的認(rèn)識(shí)，而相互競(jìng)爭(zhēng)的量子引力理論并存的狀態(tài)又使得關(guān)于時(shí)空與物質(zhì)的本質(zhì)變得撲朔迷離，突顯了后真相的意義。

宏觀真相時(shí)代的時(shí)間與空間

宏觀真相時(shí)代以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁學(xué)為代表，時(shí)空觀念是牛頓的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間。絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間相互獨(dú)立，彼此之間沒有任何直接聯(lián)系，物體的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間形成的背景中。

絕對(duì)時(shí)間包含了兩個(gè)方面的意義：一是標(biāo)示了宇宙中基本組成的順序，我們通過(guò)一組事件間的前后關(guān)系來(lái)感知到時(shí)間；二是作為確定時(shí)刻之間持續(xù)的一種度規(guī)，保證了時(shí)間的連續(xù)性，為運(yùn)動(dòng)的微分刻畫奠定了基礎(chǔ)。絕對(duì)時(shí)間本身是不可觀測(cè)的，通常用在絕對(duì)時(shí)間中演化的物理變量來(lái)描述它，如實(shí)際中通過(guò)測(cè)量時(shí)鐘等可觀測(cè)的時(shí)間變量。由于絕對(duì)時(shí)間的實(shí)體屬性，在時(shí)間中的演化可以簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)表述。

牛頓絕對(duì)空間的觀念建立在對(duì)笛卡爾相對(duì)空間的批判之上。笛卡爾認(rèn)為空間是相對(duì)的，并不存在“空的空間”，物體的“位置”是與相鄰的所有物體的集合，運(yùn)動(dòng)也是相對(duì)的。牛頓認(rèn)為空間是存在的，即使其中沒有物體，物體的位置就是它所占據(jù)的那部分空間。物體的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于絕對(duì)空間而言的，牛頓在《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》中著名的旋轉(zhuǎn)水桶實(shí)驗(yàn)正是對(duì)絕對(duì)空間存在的論證。絕對(duì)空間是3維歐幾里得空間，它扮演了對(duì)物體的隔離與區(qū)分，通過(guò)在絕對(duì)空間中位置的區(qū)別可以明確地區(qū)分兩個(gè)物體。比如在兩個(gè)物體之間有空間，意味著這兩個(gè)物體是獨(dú)立的兩個(gè)個(gè)體，是可分開的、不同的兩個(gè)對(duì)象。物體間的作用或影響需要穿過(guò)它們之間的空間，如通過(guò)電磁場(chǎng)的傳播使得兩個(gè)空間中分離的電子之間產(chǎn)生排斥作用，相互作用的這一特性即定域性。

量子真相時(shí)代的時(shí)間和空間

量子真相時(shí)代，以量子力學(xué)和相對(duì)論為代表，其時(shí)空觀在狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論和量子力學(xué)中均不同，需要分別論述。

狹義相對(duì)論取消了對(duì)“空間”和“時(shí)間”的嚴(yán)格區(qū)分，認(rèn)為空間和時(shí)間以精確的方式互相補(bǔ)償，使得人們測(cè)量光速時(shí)總是得到同樣的結(jié)果。時(shí)空的聯(lián)合使得單獨(dú)對(duì)于時(shí)間和空間的考慮，是依參考系或觀察者而變的。相對(duì)于靜止的觀察者而言，運(yùn)動(dòng)者的時(shí)間流逝更慢，其所占據(jù)的空間更短。事件發(fā)生的時(shí)間順序不再是二元關(guān)系了，而是三元關(guān)系，第三個(gè)事件充當(dāng)參考系或觀察者的角色，并且參考系或觀察者必須處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

狹義相對(duì)論中運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，使得兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔依賴于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，事件集上不再能定義一個(gè)完整的順序，另外兩個(gè)類空分離的事件之間不存在直接的時(shí)間順序。相較于宏觀真相時(shí)代用當(dāng)下來(lái)區(qū)分過(guò)去與未來(lái)，狹義相對(duì)論的閔可夫斯基時(shí)空中，時(shí)空本身不能夠確定哪個(gè)事件能算作現(xiàn)在。狹義相對(duì)論中，同時(shí)性、速度、空間之間的距離和持續(xù)時(shí)間都是相對(duì)的，但除此之外狹義相對(duì)論并未改變牛頓所搭建的絕對(duì)時(shí)空這一固定的背景舞臺(tái)。

廣義相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力最為成功的理論。廣義相對(duì)論中，時(shí)空與引力場(chǎng)等同，絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間被引力場(chǎng)所取代，從根本上重塑了關(guān)于時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)：時(shí)空與物質(zhì)是等價(jià)的，時(shí)空是物質(zhì)的一種組成部分。引力場(chǎng)具有獨(dú)立的自由度，引力場(chǎng)和時(shí)空的運(yùn)動(dòng)和起伏用引力場(chǎng)方程——愛因斯坦方程來(lái)刻畫。2016年LIGO對(duì)于引力波的探測(cè)，直接證實(shí)了引力波的存在，表明了引力場(chǎng)和時(shí)空波動(dòng)起伏的真實(shí)性。廣義相對(duì)論中的時(shí)間是動(dòng)力學(xué)時(shí)空中的一個(gè)分量，它僅是局域地和內(nèi)部地定義的，并不存在全域的時(shí)間。在狹義相對(duì)論那里，閔可夫斯基時(shí)空至少可以在某個(gè)選定的參考系下定義一個(gè)全域的現(xiàn)在時(shí)刻，即同時(shí)性的超平面，而在廣義相對(duì)論中沒有這樣的超平面，甚至也沒有一個(gè)單個(gè)的全域“時(shí)間-切片”（沒有邊界的一個(gè)類空超曲面）。

廣義相對(duì)論是一種背景無(wú)關(guān)的理論，引力場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)演化表明時(shí)空是動(dòng)態(tài)的，原先牛頓理論中的時(shí)空舞臺(tái)本身也變成了演員。背景無(wú)關(guān)性通過(guò)理論的廣義協(xié)變性得以實(shí)現(xiàn)。引力場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)是完全相對(duì)性的，相對(duì)性要求引力場(chǎng)方程所表述的自然律對(duì)于任意的坐標(biāo)系統(tǒng)都有效，即引力場(chǎng)方程要滿足廣義協(xié)變性。時(shí)空的微分同胚使得從一個(gè)理論的模型映射到另一個(gè)時(shí)，保持了集合的閉合性。在物理上，一個(gè)背景無(wú)關(guān)理論中的時(shí)空微分同胚是規(guī)范對(duì)稱性，它們將兩個(gè)不同的數(shù)學(xué)模型看作是物理上等同的。

非相對(duì)論的量子力學(xué)沿用了牛頓的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間。與物理系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)變量是量子化不同，這里固定的時(shí)間和空間背景是未量子化的。時(shí)間在理論中是全域的背景參數(shù)，并不是用量子算符表示的物理學(xué)的可觀測(cè)量。因?yàn)槟芰?時(shí)間不確定關(guān)系的存在，一旦擁有時(shí)間算符，普遍的時(shí)間擁有從負(fù)無(wú)窮到正無(wú)窮的連續(xù)本征值，由于正則對(duì)易關(guān)系，這將導(dǎo)出能量也具有從負(fù)無(wú)窮到正無(wú)窮的連續(xù)本征值，從而與所觀察到的離散的能量本征值不符。量子力學(xué)中時(shí)間與空間之間的這種不對(duì)等性被認(rèn)為違背了相對(duì)性原理，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)困擾著物理學(xué)家們。

薛定諤方程中的時(shí)間在過(guò)去和未來(lái)是對(duì)稱的，波函數(shù)的正向時(shí)間演化和逆向時(shí)間演化沒有不同。然而，薛定諤方程本身并不能說(shuō)明量子測(cè)量的結(jié)果，還需要補(bǔ)充以波函數(shù)的塌縮等其他隨機(jī)的和概率性的描述過(guò)程，而這一過(guò)程在時(shí)間上顯然是不對(duì)稱的。對(duì)于波函數(shù)的塌縮而言，時(shí)間明顯是不對(duì)稱的，過(guò)去是在空間中彌散的波，給出可觀測(cè)量的各種可能結(jié)果出現(xiàn)的概率，未來(lái)則是確定性的某一個(gè)具體的測(cè)量結(jié)果。

量子力學(xué)中關(guān)于空間認(rèn)識(shí)的變革源于量子非定域性。量子力學(xué)允許在空間中分離得很遠(yuǎn)的糾纏粒子對(duì)在測(cè)量瞬間得到相互關(guān)聯(lián)的結(jié)果，這一非定域性得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)于量子非定域性的理解與對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)和因果性的理解緊密相關(guān)，非定域性是否意味著對(duì)定域?qū)嵲谡摰倪`背，是否意味著與狹義相對(duì)論的沖突，該如何認(rèn)識(shí)量子非定域性？這些問(wèn)題仍然處于爭(zhēng)論中。如認(rèn)為非定域性意味著定域作用的違背，即超光速信號(hào)的傳遞，那么就與狹義相對(duì)論沖突了。如認(rèn)為非定域性意味著不可分離性，那么非定域性則改變了傳統(tǒng)中將空間位置作為區(qū)分物質(zhì)的介質(zhì)這一功能，空間并不能將處于糾纏的粒子分隔，糾纏粒子對(duì)即使相隔很遠(yuǎn)的空間距離也是一個(gè)不可分的整體。

廣義相對(duì)論和量子力學(xué)所揭示出的關(guān)于引力或時(shí)空和量子化的認(rèn)識(shí)經(jīng)受了經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)，稱之為真相。然而，當(dāng)把人類的認(rèn)識(shí)延伸到普朗克標(biāo)度，即引力效應(yīng)和量子效應(yīng)同樣重要的標(biāo)度上，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)所揭示的真相結(jié)合在一起時(shí)，即在量子引力研究中遇到了難以克服的困難。這意味著雖然基本物理學(xué)在經(jīng)驗(yàn)上有效，但它處于一種概念混亂的狀態(tài)。廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間的不一致是根源性的，主要體現(xiàn)為看待時(shí)空的不同態(tài)度上。廣義相對(duì)論將引力等價(jià)于時(shí)空，度規(guī)既是引力場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，也是時(shí)空的結(jié)構(gòu)，時(shí)空結(jié)構(gòu)隨著物質(zhì)的分布而變化，而變化的時(shí)空結(jié)構(gòu)又規(guī)定著物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，因而廣義相對(duì)論并不依賴于固定的時(shí)空度規(guī)結(jié)構(gòu)，是一種背景無(wú)關(guān)的理論。與之相反，量子力學(xué)預(yù)設(shè)了一個(gè)不動(dòng)的經(jīng)典時(shí)空背景，量子化及其漲落是相對(duì)于該時(shí)空背景來(lái)定義的，是一種背景相關(guān)的理論。一旦將兩種理論結(jié)合起來(lái)，將引力進(jìn)行量子化，會(huì)得到時(shí)空的量子化，即存在漲落的時(shí)空。而漲落正是通過(guò)這個(gè)時(shí)空背景來(lái)定義的，這就導(dǎo)致了矛盾。如何處理量子力學(xué)中外在的時(shí)間變量和靜止的時(shí)空背景，如何將“既是演員又是舞臺(tái)”的度規(guī)場(chǎng)進(jìn)行量子化，成為了物理學(xué)家們探索的主要目的。

量子引力理論中的時(shí)間和空間

量子引力理論是對(duì)普朗克標(biāo)度下時(shí)空結(jié)構(gòu)的研究，這一標(biāo)度下引力效應(yīng)和量子效應(yīng)同樣重要，引力需要量子化處理，這就意味著時(shí)空的量子化，時(shí)空觀念注定與我們?cè)谡嫦鄷r(shí)代所形成的觀念大不一樣。我們來(lái)看弦理論和圈量子引力這兩種目前流行的量子引力理論下的時(shí)空觀念。

弦理論一方面繼承了量子場(chǎng)論中的固定時(shí)空背景，將量子引力建立在平坦的度規(guī)空間上，另一方面又考慮到了其周圍度規(guī)的微小漲落。弦在時(shí)空背景中振動(dòng)，弦理論的這種背景相關(guān)性被認(rèn)為是它所面臨的最為嚴(yán)重的問(wèn)題之一。如何構(gòu)建一個(gè)背景無(wú)關(guān)的弦理論，把弦作為織起時(shí)空之線，被認(rèn)為不但能夠啟發(fā)對(duì)于時(shí)空起源問(wèn)題的解決，也是求解弦理論中額外維度的重要工具。在背景無(wú)關(guān)的弦論體系中，弦的兩維世界面（world sheet）扮演了更為重要的角色，關(guān)于弦的量子處理也是基于世界面上的量子場(chǎng)而言的，時(shí)空度規(guī)特性從大量弦的量子描述中涌現(xiàn)出來(lái)，因而弦是更為基本的，時(shí)空來(lái)自于弦的集群效應(yīng)。但是弦理論中的膜在時(shí)空的基本組成中扮演什么角色呢？膜和弦哪個(gè)更為基本？抑或都不是基本的，存在其他基本的實(shí)體？如在矩陣?yán)碚撝?，?-膜即沒有空間延展的東西作為基本組分，如此膜、弦和時(shí)空就都是由0-膜的恰當(dāng)組合而成。不過(guò)，這些研究仍在進(jìn)行中，仍未有結(jié)論性的成果。

弦理論中的對(duì)偶性在形而上學(xué)層次上意味著時(shí)空是涌現(xiàn)的。對(duì)偶性聯(lián)系了不同種類的弦理論，對(duì)偶的理論給出相同的物理，它們?cè)诮?jīng)驗(yàn)上不可區(qū)分。T-對(duì)偶性是一種標(biāo)度不變性，如在一個(gè)維度上其彎曲半徑為R的理論T1與另一個(gè)其彎曲半徑為1/R的理論T2對(duì)偶，從R到1/R的變換并不改變物理，而T1理論所對(duì)應(yīng)的空間尺度大，T2理論所對(duì)應(yīng)的空間尺度小。這意味著大和小并不是最為基本的，最為基本的應(yīng)該是那些保持不變的特性，所以空間不是基本的。

作為對(duì)偶性的一種特殊形式，AdS/CFT對(duì)應(yīng)表明空間的維度也不具有基本性，支持了時(shí)空的涌現(xiàn)。弦理論的一致性要求時(shí)空是10維或11維的，這意味著在我們的4維時(shí)空之外的多余維度是卷曲的。AdS/CFT對(duì)應(yīng)表明，物理定律的體空間描述和邊界描述是完全等價(jià)的，其中體空間描述要比邊界描述具有更多的維度，體空間理論中包括了引力，而邊界理論不包含引力。這表明，時(shí)空不具有基本性，除了時(shí)空的尺寸和形狀可以在不同的理論之間來(lái)回翻譯，空間維度的數(shù)目也可以在完全等價(jià)的不同理論之間改變。越來(lái)越多的線索都表明，時(shí)空的形式只是無(wú)關(guān)緊要的細(xì)節(jié)，時(shí)空的形式會(huì)隨著物理理論體系而改變，時(shí)空并不基本、并不真實(shí)。

圈量子引力是一種背景無(wú)關(guān)的理論，它是通過(guò)求解將廣義相對(duì)論直接量子化得到的量子化引力場(chǎng)方程——惠勒-德威特方程而構(gòu)造的。圈是惠勒-德威特方程的解，是圈量子引力中最為基本的實(shí)體，由有限圈所形成的極其精細(xì)的編織或網(wǎng)絡(luò)稱為自旋網(wǎng)絡(luò)，自旋網(wǎng)絡(luò)或它的量子疊加構(gòu)成了空間。一個(gè)自旋網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間的演化稱為一個(gè)自旋泡沫。自旋網(wǎng)絡(luò)可以保留、融合或分裂成幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生的結(jié)果被看作是4維時(shí)空的量子類似，稱為自旋泡沫。自旋泡沫才是更為基本的結(jié)構(gòu)，3維空間從此結(jié)構(gòu)上涌現(xiàn)而出。同樣涌現(xiàn)出的還有時(shí)空的離散結(jié)構(gòu)，可以在運(yùn)動(dòng)學(xué)的層次上具體定義幾何算符，如定位面積算符和體積算符，它們都具有離散的譜，這意味著存在最小的面積量子或體積量子。

圈量子引力需要面對(duì)的是“時(shí)間問(wèn)題”?；堇?德威特方程沒有時(shí)間變量，因而被認(rèn)為是描述了一個(gè)動(dòng)力學(xué)凍結(jié)的宇宙，物理量都不發(fā)生變化。這似乎回到了公元前5世紀(jì)古希臘哲學(xué)家巴門尼德的觀點(diǎn)：變化僅是表象，本質(zhì)上不存在變化。時(shí)間真的是一種幻象嗎？該如何協(xié)調(diào)量子引力理論中不隨時(shí)間變化的本質(zhì)與我們經(jīng)驗(yàn)感覺到的時(shí)間流逝之間的矛盾？圈量子引力的核心代表人物羅韋利（Carlo Rovelli）認(rèn)為，時(shí)間變量在基本方程中的消失并不意味著一切都是靜止的，恰恰相對(duì)，它表明變化是普遍存在的。只是基本過(guò)程不再能夠被形容為“一個(gè)瞬間接著另一個(gè)瞬間”，時(shí)間從量子事件之間的關(guān)系中產(chǎn)生，而這些量子事件正是世界本身。

時(shí)空觀念的后真相意義

真相時(shí)代的物理學(xué)中，時(shí)間和空間或時(shí)空是理論中的基本本體，在以流形為基礎(chǔ)的本體域中時(shí)間和空間或時(shí)空是連續(xù)的。進(jìn)入普朗克標(biāo)度，時(shí)空不再是基本的理論本體，而是涌現(xiàn)的。涌現(xiàn)的時(shí)空支持了關(guān)系主義的時(shí)空觀，與廣義相對(duì)論相一致。后真相時(shí)代的時(shí)空觀念不僅是革新的，與此同時(shí)它還蘊(yùn)含著新的“實(shí)在觀”、經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的弱化、新的因果觀念等。

隨著量子引力理論的研究，物理學(xué)家們普遍認(rèn)同的是，“時(shí)空”概念的消失。弦理論學(xué)家格林（Brian Greene）認(rèn)為在鉆研大自然最基本法則的時(shí)候，空間和時(shí)間的概念將自行消融。圈量子引力理論學(xué)家羅韋利認(rèn)為，在普朗克尺度下理解世界，我們可能要完全放棄時(shí)間的觀念，轉(zhuǎn)而用非時(shí)間的術(shù)語(yǔ)去描述世界。不同的量子引力理論學(xué)家關(guān)于時(shí)空的涌現(xiàn)卻保持了一致，他們都認(rèn)同時(shí)空是從某個(gè)更為層次的、非時(shí)空的物理中產(chǎn)生的，時(shí)空本身是宏觀近似的結(jié)果，是基本自由度在更大尺度上的集群效應(yīng)。

然而問(wèn)題是，離散的結(jié)構(gòu)在什么程度上能解釋為是時(shí)空項(xiàng)，如何說(shuō)明人們經(jīng)驗(yàn)到的時(shí)間和空間，如何從某些模型近似得到廣義相對(duì)論的時(shí)空?qǐng)D景，這是量子引力理論成功的必要條件。對(duì)于弦理論，當(dāng)不存在對(duì)偶時(shí)，背景時(shí)空可解釋為我們的現(xiàn)象學(xué)時(shí)空，當(dāng)量子化后的兩個(gè)背景形成一個(gè)對(duì)偶對(duì)時(shí)，原則上現(xiàn)象學(xué)的時(shí)空必須僅從對(duì)偶對(duì)所共有的物理內(nèi)容中構(gòu)建而來(lái)。對(duì)于圈量子引力，找到像閔可夫斯基時(shí)空這樣平坦時(shí)空的解，仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

另外的問(wèn)題是，時(shí)空是從基本自由度中涌現(xiàn)的，那么基本自由度是什么，世界的終極構(gòu)成是什么？這遠(yuǎn)未達(dá)成一致。羅韋利認(rèn)為，粒子、光、空間和時(shí)間都在量子場(chǎng)中產(chǎn)生，它們都是一種實(shí)體——協(xié)變量子場(chǎng)的表現(xiàn)形式。30年前惠勒認(rèn)為“物質(zhì)源于信息”，今天物理學(xué)家們則修正為“物質(zhì)源于量子信息”，而對(duì)于從信息到時(shí)空或物質(zhì)的具體機(jī)制物理學(xué)家們則莫衷一是。在終極的本原問(wèn)題遠(yuǎn)未可解之時(shí)，我們不由想到古希臘哲學(xué)家阿那克西曼德的阿佩朗（apeiron），或許實(shí)在的本原是一種非實(shí)在，是一種“道”，誰(shuí)知道呢？！

伴隨著量子引力理論對(duì)時(shí)空觀念的革新，真相時(shí)代在連續(xù)時(shí)空觀念的基礎(chǔ)建立起來(lái)的許多觀念也需要革新，包括定域性、因果性、決定性等。在量子引力理論缺乏實(shí)驗(yàn)啟發(fā)時(shí)，理論的尋求集中于數(shù)學(xué)和概念問(wèn)題之上，時(shí)空問(wèn)題成為了理論前進(jìn)的核心線索，哲學(xué)介入討論的意義也由此鋪開。后真相時(shí)代，時(shí)空問(wèn)題成為物理學(xué)和哲學(xué)共同的關(guān)注焦點(diǎn)，科學(xué)與哲學(xué)在這里相遇，哲學(xué)的分析能夠?yàn)榭茖W(xué)研究提供一定的洞察和創(chuàng)見。