物理學(xué)時(shí)空觀念之演變

1、第二章 物理學(xué)時(shí)空觀念之演變?cè)谖锢韺W(xué)裏，空間座標(biāo)的原點(diǎn)是固定的，物理學(xué)家所闡述的理論和他自身的觀點(diǎn)無(wú)關(guān)。羅素 羅素，我們這一代所需要的哲學(xué)。林衡哲譯（1973）。本章從幾個(gè)思像實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，說(shuō)明意識(shí)和時(shí)間的性質(zhì)之間存在非常緊密的關(guān)係。要談時(shí)間，我們就無(wú)法不涉及到空間的問(wèn)題。我將從物理學(xué)的發(fā)展切入，討論從古典物理、相對(duì)論、量子力學(xué)到超弦理論的時(shí)空觀念之演變。最後整理出時(shí)空哲學(xué)問(wèn)題的九個(gè)大面向。其中，我認(rèn)為最關(guān)鍵的是時(shí)空的操作型定義的概念，我將討論這個(gè)概念在意識(shí)主體問(wèn)題上所給我們的一線希望。2.1意識(shí)和時(shí)間2.1.1如果時(shí)間停止時(shí)間一旦停止，所有的東西都不動(dòng)了，當(dāng)然也包括光。那麼，即將打在我們視網(wǎng)膜的

2、那顆光子 光有波和粒子特性，這裡以其粒子特性舉例。就這樣在你視網(wǎng)膜前停了下來(lái)。所以，我們?cè)跁r(shí)間停止之後是不會(huì)再看到什麼東西的了。同理，我們不會(huì)再聽(tīng)到什麼，或感覺(jué)到什麼，我們不會(huì)再有任何的意識(shí)。老套的愛(ài)情故事裡，對(duì)白總有那麼一句：真希望時(shí)間在這一刻停止！問(wèn)題是，一旦時(shí)間停止了，我們的腦也停止了活動(dòng)，我們的幸福感也將停住。我們?cè)僖部床坏綄?duì)方深情的眼神，感覺(jué)不到自己心動(dòng)的感覺(jué)。更嚴(yán)重的是，我們連想要有感覺(jué)的想都沒(méi)有！如果時(shí)間停止，就沒(méi)有所謂的以後，在這個(gè)時(shí)候，什麼叫做停都會(huì)變得很詭異，因?yàn)闆](méi)有一個(gè)動(dòng)來(lái)比較，我們?nèi)绾握f(shuō)停？時(shí)間若停了一段再繼續(xù)，就意識(shí)而言，這一段停止的時(shí)間是不可能被意識(shí)到的，而且這一段

3、停掉的時(shí)段不會(huì)對(duì)這世界有任何的影響。所以，就算時(shí)間真的曾經(jīng)停止過(guò)，我們的意識(shí)或這個(gè)世界根本不會(huì)因?yàn)檫@一段而有什麼變化。我們不可能對(duì)這個(gè)曾經(jīng)停止的一段時(shí)間有任何的認(rèn)知。也就是說(shuō)，時(shí)間是連續(xù)或是不連續(xù)，對(duì)我們的意識(shí)或這個(gè)世界而言，都是一樣的，沒(méi)有任何的不同。因此，我們可以確定的是：意識(shí)現(xiàn)象是需要時(shí)間的。所謂需要時(shí)間的意思是：意識(shí)現(xiàn)象的發(fā)生需要某一段的時(shí)間（time interval）或（腦）狀態(tài)的改變才有可能，問(wèn)某一時(shí)刻（temporal point）的意識(shí)狀態(tài)是沒(méi)有意義的。要不然，我們就得承認(rèn)，死人也會(huì)有意識(shí)。到許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明，意識(shí)需要一定量的時(shí)間，約0.5sec才會(huì)發(fā)生。 此為L(zhǎng)ibet等

4、人實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。參考Daniel C. Dennett (1991), p. 153-155。問(wèn)題是：時(shí)間停止是什麼意思？是因?yàn)闀r(shí)間停止而使得所有的東西都不再動(dòng)了呢？還是所有東西不動(dòng)而使得時(shí)間具有了停止的意義？什麼是時(shí)間，它和物質(zhì)的改變之間有著什麼樣的關(guān)係？ 2.1.2如果時(shí)間倒流一個(gè)精美的玻璃杯被你在憤怒的情緒下丟在地上打破了。相信大部分的人都有過(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn)，看到一個(gè)完好的玻璃杯從整體變成碎片。相信大多數(shù)的人也看過(guò)將這個(gè)過(guò)程倒帶的情況：散落滿地的玻璃碎片走向一個(gè)中心點(diǎn)後聚集起來(lái)，組合成杯子的樣子，彼此之間的裂縫消失，然後從地面升起回到這個(gè)丟玻璃杯的人手上。如果時(shí)間倒流，我們會(huì)不會(huì)看到或是對(duì)這些

5、事件有所意識(shí)？如果時(shí)間倒流，光不再是從外面的世界射入我們的眼睛，剌激我們的視網(wǎng)膜，進(jìn)而讓我們的腦意識(shí)到這些畫(huà)面；而是反過(guò)來(lái)：腦神經(jīng)的脈衝逆向傳輸，能量由腦神經(jīng)回傳到我們的視網(wǎng)膜，在視覺(jué)神經(jīng)接受器聚集後轉(zhuǎn)變回光子，再由我們的眼睛射出來(lái)，回到那個(gè)玻璃杯上。這種情況下，我們能不能說(shuō)這個(gè)人看到了的杯子從碎片回到整體的情況？答案很顯然是否定的。因?yàn)槿绻麜r(shí)間倒流，資訊不再是從外界進(jìn)入我們的感官系統(tǒng)，而是從我們的體內(nèi)傳回到外在世界。我們（尤其指大腦）會(huì)處在一個(gè)一直失去資訊的狀態(tài)，就好比錄音帶一直被消磁一樣。我們不會(huì)記得所失去的資訊。那麼，意識(shí)和記憶之間有什麼關(guān)係？2.1.3意識(shí)和記憶再想像這樣一個(gè)情境：從你

6、出生開(kāi)始，一個(gè)瘋狂的科學(xué)家就在你的眼球裡置入一個(gè)發(fā)光裝置並將你的瞳孔封閉。這個(gè)發(fā)光的裝置從你出生開(kāi)始，就以特定波長(zhǎng)的紅光，以均勻穩(wěn)定的強(qiáng)度刺激著你的視網(wǎng)膜。因此，不論你張開(kāi)或閉上眼睛，你的視覺(jué)或者應(yīng)該說(shuō)你的視網(wǎng)膜所受到的剌激，都是固定不變的。試問(wèn)，在這種情況下過(guò)了幾十年後的今天，你對(duì)這個(gè)固定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的光有沒(méi)有意識(shí)經(jīng)驗(yàn)？答案和時(shí)間倒流的例子一樣，是否定的。 我必需承認(rèn)，到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)瘋狂科學(xué)家做過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)除了回應(yīng)了前面關(guān)於如果時(shí)間停止的討論如果沒(méi)有任何狀態(tài)的改變，我們不可能有意識(shí)之外，還得到更進(jìn)一步的結(jié)果：當(dāng)我們說(shuō)我們意識(shí)到紅色的時(shí)候，我們必需承認(rèn)或預(yù)設(shè)了我們對(duì)這個(gè)紅色

7、之前的非紅色有所意識(shí)，否則，我們的情況會(huì)跟這個(gè)瘋狂科學(xué)家的思想實(shí)驗(yàn)一樣，不會(huì)對(duì)眼前的紅色有所意識(shí)。一定要有後來(lái)的紅色和這之前的非紅色這兩種意識(shí)，我們才能說(shuō)我們意識(shí)到了紅色。因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，意識(shí)本質(zhì)上就是多的組合。一旦一個(gè)意識(shí)主體有一個(gè)意識(shí)經(jīng)驗(yàn)，例如意識(shí)到紅色，我們可以確定，他至少擁有兩個(gè)以上的意識(shí)經(jīng)驗(yàn)，即紅與非紅。而能對(duì)之前的非紅色有所意識(shí)其實(shí)就是說(shuō)我們對(duì)之前的意識(shí)狀態(tài)有所記憶。因此，意識(shí)現(xiàn)象除了需要特定的時(shí)段或狀態(tài)的改變之外，和記憶也有著非常密切的關(guān)係。 認(rèn)知科學(xué)將記憶分成短期記憶(short-term memory)和長(zhǎng)期記憶(long-term memory)兩種。這裡所說(shuō)的記憶不是

8、指長(zhǎng)期的。2.1.4意識(shí)與時(shí)間從上述的例子中，我們可以看到，在意識(shí)問(wèn)題上，時(shí)間扮演著非常重要的角色。當(dāng)我們?cè)谟懻撊绻麜r(shí)間停止的時(shí)候，我們會(huì)遇到的問(wèn)題是：意識(shí)、時(shí)間和物質(zhì)的改變之間是什麼關(guān)係？而當(dāng)我們?cè)谟懻摃r(shí)間和記憶的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)，意識(shí)和記憶之間有著相當(dāng)密切的關(guān)係，記憶在時(shí)間上是具有方向性的，在現(xiàn)實(shí)世界中，時(shí)間也是具有方向性的。然而，時(shí)間為什麼總是朝著某個(gè)方向發(fā)展？意識(shí)、記憶、時(shí)間和物質(zhì)狀態(tài)的改變這四者之間又有著什麼樣的關(guān)係？若要談時(shí)間是什麼，我們就不得不談物理學(xué)裡對(duì)時(shí)間的概念。近代物理學(xué)（相對(duì)論）發(fā)現(xiàn)，時(shí)間和空間這兩個(gè)概念是不可分的，因此我們也不得不談?wù)摰娇臻g的問(wèn)題。以下就以物理學(xué)的發(fā)展為主

9、軸，討論時(shí)空觀念的演變。2.2物理學(xué)時(shí)空觀念的發(fā)展在我們的日常生活裡，到處都充滿著運(yùn)動(dòng)中的物體，例如行進(jìn)中的汽車(chē)、飛翔中的老鷹以及在水中悠遊的鯉魚(yú)。人類(lèi)文明其中一個(gè)重要的成就是科技的發(fā)展，而科技的發(fā)展和成熟主要是立基在物理學(xué)。在物理學(xué)的發(fā)展中，有很大的一部分努力是在對(duì)物體的移動(dòng)提出可以預(yù)測(cè)和解釋的律則。牛頓（Isaac Newton）之所以偉大，正是因?yàn)樗麨槲矬w的運(yùn)動(dòng)提出了形式簡(jiǎn)單的定律，即牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律。這幾個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)定律，不但可以很準(zhǔn)確地給出哈雷慧星的週期和軌道，也讓人們可以理解為什麼天上許多行星的軌道是橢圓而不是完美的圓形，它更讓人們登陸月球的夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)，而且使人們有很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)相

10、信，任何的事件的發(fā)生，理論上都是可以被精確地預(yù)測(cè)。 Laplace等人會(huì)相信，任何一個(gè)物理系統(tǒng)，如果知道了它在某一時(shí)刻的狀態(tài)及所有作用於其上的外力後，則該系統(tǒng)在此一時(shí)刻之前及之後的所有狀況都是確定且可知的。由此可見(jiàn)，了解物體如何運(yùn)動(dòng)是人類(lèi)文明中極為重要的一環(huán)。什麼是物體的運(yùn)動(dòng)(Motion)？當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們所指的是：物體在某特定時(shí)間內(nèi)，在空間中移動(dòng)某個(gè)距離。因此，我們可以得知，時(shí)間和空間是物理學(xué)中兩個(gè)非常基本的概念。2.2.1古典物理學(xué)的時(shí)空觀念就一般的直覺(jué)而言，空間具有容器的特性?？臻g就好像是一個(gè)可以讓物體在其中移動(dòng)的容器；而時(shí)間則是物體得以在其中表現(xiàn)持續(xù)或變化的東西。這樣的

11、直覺(jué)使得我們將時(shí)間和空間視為一種背景框架或座標(biāo)，我們的日常生活中所有行為和物體的運(yùn)動(dòng)都在這個(gè)背景框架中進(jìn)行。這樣的一個(gè)背景框架的直覺(jué)，其實(shí)還隱藏著一個(gè)想法，就是這個(gè)時(shí)間和空間的框架，是與物體以及物體的運(yùn)動(dòng)獨(dú)立開(kāi)來(lái)的：它們只是物體運(yùn)動(dòng)的參考座標(biāo)，物體本身和物體的運(yùn)動(dòng)不會(huì)對(duì)這參考座標(biāo)有任何的影響，而且時(shí)間和空間之間也是彼此獨(dú)立互不影響的。這樣一個(gè)不受物體影響而且彼此獨(dú)立的時(shí)間和空間觀念，我們稱為絕對(duì)的時(shí)空觀，它是古典物理學(xué)（即牛頓物理學(xué)）一個(gè)基本的想法。自牛頓1687年完成其巨著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理以來(lái)，這個(gè)想法普遍地適用在解釋人們所遇到的物體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。然而，這樣的絕對(duì)時(shí)間和空間觀念卻無(wú)法與現(xiàn)代的物

12、理學(xué)相容。所謂現(xiàn)代物理學(xué)，指的是量子力學(xué)和相對(duì)論。在廿世紀(jì)，科學(xué)發(fā)展中一個(gè)重大革命就是發(fā)現(xiàn)將時(shí)間和空間視為固定不變之容器的想法是錯(cuò)誤的。Einstein的相對(duì)論（1905年的狹義相對(duì)論，以及1915年的廣義相對(duì)論）指出，古典物理學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀念至少在三項(xiàng)基礎(chǔ)上有錯(cuò)誤：一、時(shí)間和空間彼此是偶合（coupled）而不是互相獨(dú)立的；二、時(shí)空座標(biāo)會(huì)受到相對(duì)速度所影響；三、時(shí)空會(huì)受到物質(zhì)本身的影響。相對(duì)論所指出古典物理學(xué)時(shí)空觀念的各種錯(cuò)誤，後來(lái)都在實(shí)驗(yàn)上得到證實(shí)。2.2.2相對(duì)論的時(shí)空觀念波的傳輸需要透過(guò)介質(zhì)（medium），例如聲音的傳輸就需要透過(guò)空氣分子的震動(dòng)才得以傳開(kāi)。當(dāng)Christiaan Hu

13、ygens Christiaan Huygens(1629-1695)，荷蘭物理、數(shù)學(xué)家。的光波動(dòng)理論被物理學(xué)家們廣為接受的時(shí)候，人們認(rèn)為空間中必然充滿著可以承載光波的介質(zhì)。這個(gè)介質(zhì)被稱為ether（以太）。在牛頓物理學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀念下，人們很合理地就會(huì)問(wèn)像這樣的問(wèn)題：ether是在這個(gè)絕對(duì)空間中是流動(dòng)還是靜止的？由於介質(zhì)會(huì)影響波的傳輸速度，所以如果ether是一直在流動(dòng)的，我們將會(huì)在不同方向測(cè)到光以不同的速度在傳輸，然而這與實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果不符。所以，如果ether存在的話，它應(yīng)該是在這絕對(duì)空間中是絕對(duì)靜止的。如果ether是靜止的，光波在其中的傳輸速度將是固定不變的。然而地球除了繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)之

14、外還有本身的自轉(zhuǎn)，因此在不同的時(shí)刻，地球相對(duì)於ether的（絕對(duì)）速度是一直在變動(dòng)的。 速度（velocity）具有大小和方向，所以即使只有方向上的改變，也算是速度的改變。這便意謂著光波和地球之間的相對(duì)速度是隨時(shí)都在變動(dòng)的，因此我們可以由光波的絕對(duì)速度測(cè)得地球的絕對(duì)速度。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)想一開(kāi)始是由James Clerk Maxwell提出，1887年首度由Michelson和Morley兩人得到足夠精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Michelson和Morley的實(shí)驗(yàn)基本構(gòu)架如下圖所示：圖2.1Michelson-Morley實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖在圖2.1中，A為光源，B、C為反射鏡，而AB和AC等距。如果整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置以

15、v的速度向右側(cè)移動(dòng)，即由BAC到BAC最後到B”A”C”。由A向B所發(fā)出的光所行經(jīng)的路線其實(shí)是ABA”；而由A向C所發(fā)出的光所行經(jīng)的路線則是ACA”。若光行進(jìn)的速度是固定不變的，則光完成這兩條路線所需要的時(shí)間差將是(2.1)其中，是光走完ABA”所需要的時(shí)間，而是光走完ACA”所需要的時(shí)間。令人驚訝的是，Michelson和Morley的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同方向中行進(jìn)的光，其相對(duì)於地球運(yùn)動(dòng)所造成的速度差異都是零，即。也就是說(shuō)，地球會(huì)有相對(duì)於絕對(duì)靜止的ether的相對(duì)速度這個(gè)假想和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。這就是這個(gè)實(shí)驗(yàn)著名的零結(jié)果。而這個(gè)零結(jié)果讓人懷疑ether其實(shí)並不存在。但是如果ether不存在，具有

16、波動(dòng)性的光如何傳播？因此，當(dāng)時(shí)有許多物理學(xué)家試著提出各種理論，企圖拯救ether存在這個(gè)假說(shuō)。其中最為重要的就是C. F. Fitzgerald和Hendrik Lorentz的理論。Fitzgerald指出，Michelson和Morley實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果可以經(jīng)由ACA”這路徑長(zhǎng)度的收縮來(lái)解釋。若長(zhǎng)度縮短了，光行經(jīng)這個(gè)路線所需的時(shí)間也變少了，因此。而Lorentz更是發(fā)展出一套原子結(jié)構(gòu)的理論，在他的這個(gè)理論架構(gòu)下，沿運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度會(huì)收縮是一個(gè)可經(jīng)由演繹推論得到的結(jié)果。Lorentz的理論仍然是以古典物理學(xué)的絕對(duì)空間概念的詮釋為基礎(chǔ)，因此他的理論是古典物理學(xué)的一個(gè)延伸，這樣的延伸讓古典物理學(xué)可以和

17、19世紀(jì)未的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相容，即可以預(yù)測(cè)Michelson和Morley的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1905年，Einstein發(fā)表了狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論不只是可以如Lorentz的理論般，可以成功預(yù)測(cè)Michelson和Morley的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它和古典物理學(xué)有著根本的不同。狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)是：(A) 在任何慣性座標(biāo)系（inertial frame）下，物理定律的形式都是一樣的。(B) 真空中的光速（）是固定不變的。第一個(gè)基本假設(shè)又稱為相對(duì)原則（relativity principle）。由狹義相對(duì)論的這兩個(gè)假設(shè)，我們可以推導(dǎo)出許多有趣的結(jié)果。例如：看運(yùn)動(dòng)中的系統(tǒng)，其時(shí)間會(huì)變慢，沿運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度會(huì)變短，

18、質(zhì)量會(huì)變大等等。 附錄一。若將這些結(jié)果和第二個(gè)基本假設(shè)結(jié)合，我們就可以得到光椎的概念。狹義相對(duì)論的一個(gè)重要結(jié)果是，所有載有訊息的東西，如光或粒子，都不可以超過(guò)光度。 電磁波的相速度(phase velocity)是可以超過(guò)光度的，但這以種速度傳僠的電磁波卻無(wú)法傳遞任何有意義的訊息的。可傳遞訊息的是電磁波的群速度（group velocity），群速度無(wú)法超過(guò)光速。因此，如果一個(gè)帶有資訊的粒子在距離我超過(guò)的地方，則它不可能對(duì)我在一秒內(nèi)所發(fā)生的事有任何的影響。因而，對(duì)我有影響的時(shí)空範(fàn)圍不是整個(gè)時(shí)空，而是有一固定的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域可以用一個(gè)四維時(shí)空座標(biāo)中的錐形來(lái)表示。如下圖：圖2.2光錐對(duì)現(xiàn)在（pre

19、sent）的我可能產(chǎn)生影響的，必定是在past light cone範(fàn)圍內(nèi)的事物，而我所能影響的範(fàn)圍必定是在future light cone內(nèi)的事物。其它的範(fàn)圍則和現(xiàn)在的我沒(méi)有因果上的關(guān)連。1908年，也就是在Einstein提出狹義相對(duì)論三年後，狹義相對(duì)論的在時(shí)空上的含義才第一次被Herman Minkowski所認(rèn)識(shí)到： Herman Minkowski (1908)。時(shí)間和空間並不是兩個(gè)個(gè)別獨(dú)立座標(biāo)，而是同一個(gè)互相聯(lián)繫的座標(biāo)的兩個(gè)不同觀點(diǎn)。Minkowski稱這一個(gè)互相聯(lián)繫的座標(biāo)為時(shí)空(spacetime)，有別於從前的空間時(shí)間(space-time)。在數(shù)學(xué)上，古典時(shí)空觀中，時(shí)空中兩

20、點(diǎn)A，B之間的距離的不變量（Invariance）為 (2.2)中，s為A，B兩點(diǎn)之間的距離，x、y和z為A，B兩點(diǎn)在X、Y、Z三座標(biāo)軸上的間距。從這個(gè)式子我們可以看到，時(shí)間並不會(huì)對(duì)A，B兩點(diǎn)間的距離造成任何影響。即時(shí)間和空間是彼此獨(dú)立的。然而，在狹義相對(duì)論中，兩點(diǎn)間距離的不變量卻為 (2.3)因此，時(shí)間和空間彼此之間是偶合的。在狹義相對(duì)論的意義下，將時(shí)間和空間獨(dú)立開(kāi)來(lái)的古典時(shí)空觀是錯(cuò)誤的。狹義相對(duì)論的另一個(gè)蘊(yùn)含是：時(shí)間快慢和距離長(zhǎng)短會(huì)隨著觀察者和被觀測(cè)物之間的相對(duì)速度的大小而改變。如果兩個(gè)觀察者和被觀察物之間有不同的相對(duì)速度，則他們所得到的觀測(cè)結(jié)果將是不同的。狹義相對(duì)論其中一個(gè)令人震驚的結(jié)果

21、就是：對(duì)於同一個(gè)被觀測(cè)物的這兩個(gè)互不相同的觀測(cè)結(jié)果，並不存在著一個(gè)方法可以讓我們判斷那一個(gè)是對(duì)，另一個(gè)是錯(cuò)。狹義相對(duì)論告訴我們，這兩個(gè)結(jié)果都是對(duì)的！為什麼會(huì)有這樣的結(jié)論？原因是，時(shí)間和空間的量測(cè)是受觀測(cè)者相對(duì)於被觀察物之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所改變，時(shí)空座標(biāo)是會(huì)受到物體的運(yùn)動(dòng)所影響的。在相對(duì)論的意義下，時(shí)空座標(biāo)並不是如古典物理學(xué)般，是固定不變的背景框架。狹義相對(duì)論之所被稱為狹義，是因?yàn)樗豢紤]重力（gravity）對(duì)時(shí)空所造成的影響。重力指的是物質(zhì)與物質(zhì)之間由質(zhì)量（mass）所產(chǎn)生的吸引力，其大小與質(zhì)量（m1,m2）的大小成正比，與兩物體之間的距離（r）平方成反比，而比例常數(shù)就是所謂的重力常數(shù)（G）：

22、(2.4)將重力的影響考慮在內(nèi)的相對(duì)論就是廣義相對(duì)論（General theory of relativity）。和狹義相對(duì)論類(lèi)似，廣義相對(duì)論也有一個(gè)基本假設(shè)：等效原理（Equivalent Principle）。等效原則說(shuō)的是：均勻重力場(chǎng)和相對(duì)於一個(gè)慣性座標(biāo)系的等加速度是等效的（Uniform gravitational fields are equivalent to frames that accelerate uniformly relative to inertial frames）。 Bernard F. Schutz, “A first course in general rel

23、ativity” (1985). p. 122.等效原理可以下圖來(lái)理解：圖2.3等效原則：(a)重力；(b)加速度。圖2.3中，圖(a)箱子裡的人所感受到的是重力的作用；而圖(b)箱裡的人所感受到的是由推動(dòng)力加速度的作用。等效原則指出，圖中的這兩個(gè)人將無(wú)法分辨他所感受的到底是來(lái)自於重力的作用抑或是推動(dòng)力的加速度的作用。當(dāng)然，等效原則說(shuō)的不只是人對(duì)作用力的感覺(jué)而已，而是在這兩個(gè)箱子裡的所有東西都將無(wú)法分辨彼此的情況。在這兩個(gè)箱子裡所發(fā)生的任何效應(yīng)都將是等價(jià)的，包括對(duì)光行進(jìn)路線的影響。想像在一個(gè)原本靜止的火箭，在開(kāi)始受動(dòng)力推進(jìn)的那一刻，火箭裡有個(gè)光源沿火箭運(yùn)動(dòng)的垂直方向射出一道光。由於光的速度是固

24、定的，所以該道光線從火箭的左側(cè)射到右側(cè)需要花上一定的時(shí)間t。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，火箭也由於動(dòng)力的推進(jìn)以加速度a行進(jìn)了某特定的距離s，s的大小為：由於距離s與時(shí)間t的平方成正比，所以在火箭裡的人看來(lái)，這道光的路徑會(huì)形成一道拋物線，見(jiàn)圖2.4。圖2.4在加速系統(tǒng)中看光的行進(jìn)路線然而，根據(jù)等效原理，這樣的一個(gè)受動(dòng)力推進(jìn)的系統(tǒng)裡的所有效應(yīng)都是和受重力影響的系統(tǒng)是等價(jià)的，因此，一個(gè)受重力影響的系統(tǒng)裡的人也將看到同樣的情況：圖2.5根據(jù)等效原則：重力會(huì)讓光的行進(jìn)路線偏折因此，根據(jù)等效原理，光的行進(jìn)路徑將會(huì)受到重力的影響。光是不具備質(zhì)量的，為什麼一個(gè)不具備質(zhì)量的東西可以受到重力的影響？這個(gè)結(jié)果，Einstein只

25、能以時(shí)空被重力彎曲（warp）來(lái)解釋。由於時(shí)空被重力所彎曲，因此造成光行進(jìn)路線的彎曲。1919年，光路徑會(huì)被重力所彎曲這個(gè)廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)，由一位英國(guó)天文學(xué)家第一次在日全蝕發(fā)生時(shí)，觀測(cè)兩顆星之間的視角差中被證實(shí)。狹義相對(duì)論的結(jié)果已經(jīng)夠令人驚訝了，然而廣義相對(duì)論的結(jié)果更令人訝異：質(zhì)量將造成時(shí)空的彎曲！光其實(shí)並沒(méi)有受到重力的吸引，而是因?yàn)闀r(shí)空受重力的影響而扭曲，進(jìn)而造成光的路徑之隨之彎曲。因此，廣義相對(duì)論告訴我們，時(shí)空是會(huì)受到物質(zhì)的質(zhì)量影響的。第一個(gè)支持廣義相對(duì)論的物理事實(shí)是水星（Mercury）近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)（perihelion shift）。18世紀(jì)時(shí)的天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，水星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道不是

26、固定的一圈，而是每繞太陽(yáng)一圈，它的近日點(diǎn)就移動(dòng)某個(gè)角度（以太陽(yáng)為圓心）。水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的角度，雖然絕大部分可以用牛頓物理學(xué)，加上考慮其它行星對(duì)水星軌道的影響就被解釋掉。但是，仍有一個(gè)極小的角度（0.10-arc-second）無(wú)法在牛頓物理學(xué)中得到解釋。當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家聲稱他們的實(shí)驗(yàn)誤差只有0.01-arc-second（相當(dāng)於從10公里遠(yuǎn)的地方看人類(lèi)頭髮這麼寬的距離所形成的角度）。 Kip S. Throne (1994) Black Hole and Time Warps. p. 95.一開(kāi)始的時(shí)候，有人猜測(cè)這個(gè)小角度是由太陽(yáng)系的第十顆行星所造成，但是觀察的結(jié)果否定了這個(gè)猜想。直到1915年

27、，Einstein的廣相對(duì)論被提出來(lái)後，這個(gè)0.10-arc-secnd的進(jìn)動(dòng)角度才被精準(zhǔn)地解釋掉。另一個(gè)證明重力會(huì)影響時(shí)空的實(shí)驗(yàn)是在1962年所做的重力紅移效應(yīng)。廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)，在重力場(chǎng)越大的地方，時(shí)間走得越慢。將兩個(gè)非常精準(zhǔn)的原子鐘分別放到地表的高處和低處。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：置於低處的時(shí)鐘的確走得比較慢。兩個(gè)原子鐘的差額完全符合廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)。 在狹義相對(duì)論下，時(shí)空和空間是不可分的；在廣義相對(duì)論下，時(shí)空是會(huì)受到質(zhì)量的影響的。雖然相對(duì)論的結(jié)果頗令人訝異，但它所預(yù)測(cè)的結(jié)果在實(shí)驗(yàn)上幾乎都得到了證實(shí)，到目前為止還沒(méi)有找到任何有效的反例。因此古典物理學(xué)的絕對(duì)時(shí)間和空間觀念因此遭到揚(yáng)棄。2.2.3量子力

28、學(xué)的時(shí)空觀念廿世紀(jì)的另一場(chǎng)物理學(xué)革命是量子力學(xué)的發(fā)展。相對(duì)於相對(duì)論所考慮的巨觀（macroscopic）物理問(wèn)題，量子力學(xué)所討論的主要是微觀（microscopic）物理世界的問(wèn)題。1900年，Max Ludwig Planck為了在理論上解釋黑體輻射 黑體輻射的問(wèn)題最早由Robert Kirchhoff在1859-60年間所定義。（Black body Radiation）實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，大膽地提出能量（energy）是不連續(xù)的想法。理論上，黑體指的是那些可以將照射到它們表面的電磁波完全吸收的物體；而由這物體所發(fā)射出來(lái)的能量電磁波只與這物體的溫度有關(guān)，與其它質(zhì)性無(wú)關(guān)。然而，現(xiàn)實(shí)生活中我們無(wú)法找到

29、符合這個(gè)定義的黑體，所以實(shí)驗(yàn)上，黑體其實(shí)是以一個(gè)內(nèi)部粗糙的容器的孔來(lái)代替。如下圖所示：圖2.5黑體輻射實(shí)驗(yàn)裝置圖2.5中的容器內(nèi)壁粗糙的目是使射到容器孔的電磁波被完全吸收以達(dá)到黑體的效果。將這個(gè)容器加熱，我們可以在容器孔外設(shè)置接收器以測(cè)得由這容器內(nèi)部所發(fā)出來(lái)的電磁波。所接收到的電磁波的強(qiáng)度對(duì)波長(zhǎng)的分佈為：圖2.6黑體在不同溫度下所放出的電磁波能量分佈圖在當(dāng)時(shí)，有許多的物理學(xué)家如Rayleigh-Jeans、Wien等人都試著為這一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出理論上的解釋，但是所得到的理論模型要不是在波長(zhǎng)較短的部分（即能量比較高的電磁波）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，就是依理論所算出的黑體輻射總能量會(huì)達(dá)到無(wú)限大，這顯然和實(shí)

30、際情況不合。1900年，Planck為黑體輻射給出了一個(gè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常符合而且不會(huì)算出總能量是無(wú)限大的算式（formula）。一開(kāi)始的時(shí)候，他並不曉得他的這個(gè)式子有怎麼樣的含義，但這個(gè)式子的成功促使他去探求這個(gè)式子的物理基礎(chǔ)。結(jié)果他發(fā)現(xiàn)，他的式子假設(shè)了黑體所輻射出的電磁波能量是不連續(xù)的，這些電磁波的能量大小是一個(gè)最小能量單位的整數(shù)倍。由於電磁波的能量與頻率的大小成正比，Planck就將這些電磁波的能量大小設(shè)定為h，是指電磁波的頻率，而h是Planck當(dāng)初所設(shè)置的常數(shù)（後來(lái)便被命名為Plancks constant，其大小為）。因此，黑體輻射所釋放出來(lái)的電磁波的頻率是不連續(xù)的，而總能量是由離散（

31、discrete）的能量子（quanta）所構(gòu)成。雖然Planck的式子可以非常好地解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是他自己並不怎麼願(yuàn)意去接受這個(gè)能量不連續(xù)的概念。能量是不連續(xù)的概念後來(lái)得到許多其它物理現(xiàn)象如，光電效應(yīng)（photoelectric effect）和Compton效應(yīng)等的經(jīng)驗(yàn)支持，並經(jīng)由許多物理學(xué)家如Neil Bohr、Werner Karl Heisenberg、Paul Dirac、Richard Feynman等人的發(fā)展，而成為後來(lái)的量子力學(xué)（Quantum Mechanics）。量子力學(xué)和相對(duì)論一樣，是廿世紀(jì)初才開(kāi)始發(fā)展而且是非常成功的物理學(xué)。它不但是雷射物理的基礎(chǔ)，也是當(dāng)今科

32、技文明的重要工具電腦和半導(dǎo)體工業(yè)的科學(xué)基礎(chǔ)。在時(shí)間和空間問(wèn)題上，量子力學(xué)也造成了許多衝擊。古典物理學(xué)的絕對(duì)且彼此獨(dú)立的時(shí)間和空間觀，或者在相對(duì)論的四維時(shí)空觀，似乎都隱藏著一個(gè)想法，那就是時(shí)間或空間是連續(xù)（continuous）的。當(dāng)我們說(shuō)一條線是連續(xù)的時(shí)候，指的是在這條線上的任意兩點(diǎn)之間都可以找到另外一個(gè)屬於這條線的點(diǎn) 說(shuō)兩點(diǎn)之間存在另一點(diǎn)在數(shù)學(xué)上其實(shí)所指到的是dense的概念。在數(shù)學(xué)上，說(shuō)線是連續(xù)定義是在這線段上的任意一點(diǎn)，其左極限和右極限相等。若將這個(gè)連續(xù)的概念運(yùn)用到時(shí)間上就是：任意兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間，存在另一個(gè)時(shí)間點(diǎn)；而用到空間上，就變成任意的兩個(gè)空間點(diǎn)之間，存在另外一個(gè)空間點(diǎn)。因此，任何東

33、西若要從空間中的這一點(diǎn)要到另一點(diǎn)去的話，它必定會(huì)有一條軌道，而且這個(gè)軌道是連續(xù)的?？墒?，依據(jù)量子物理學(xué)，這個(gè)時(shí)間和空間是連續(xù)的想法是有問(wèn)題的。根據(jù)量子力學(xué)，在微觀的情況下，空間中小於Planck length（約10-33cm）的距離是沒(méi)有意義的，而小於Planck time（約10-43sec）的時(shí)間分割也是沒(méi)有意義的。因此，在量子泡沫（quantum foam）即由最小尺度的空間和時(shí)間單位所組成的時(shí)空單位之中，時(shí)間和空間都是沒(méi)有意義的。 美國(guó)物理學(xué)家John A. Wheeler便曾提出：“在時(shí)空中被我們視為實(shí)際存在的粒子，在量子泡沫這個(gè)脈絡(luò)下的活動(dòng)，其實(shí)就有如氣象學(xué)中的雲(yún)朵一樣?！背诉B

34、續(xù)性的問(wèn)題之外，量子物理學(xué)對(duì)時(shí)空問(wèn)題的另一個(gè)衝擊是：時(shí)空是不是受觀察者的影響？廣義相對(duì)論告訴我們，時(shí)空是受物質(zhì)所影響的。但是物質(zhì)世界有客觀的實(shí)體嗎？Einstein本身堅(jiān)定地認(rèn)為有，即自然的本質(zhì)不會(huì)隨著我們是否在觀察它而改變。但是，在量子力學(xué)正統(tǒng)的（orthodox）詮釋以Bohr為主的Copenhagen學(xué)派詮釋中，觀察者的測(cè)量行為（measurement）對(duì)物體的性質(zhì)有決定性的影響，也就是自然所展現(xiàn)給我們看的面貌，是隨著我們觀察的方式的不同而有所變異。最明顯的例子就是電子的波粒二重性（wav-particle duality），電子會(huì)因?yàn)槲覀兯褂玫挠^察方法的不同，而展現(xiàn)它是波（wave）

35、或者是粒子（particle）的性質(zhì)。在量子力學(xué)中，對(duì)於同一個(gè)物體的兩個(gè)non-commute的物理量，如一個(gè)電子的位置（position）和動(dòng)量（momentum），隨者兩個(gè)物理量測(cè)量先後順序不同，所得到的測(cè)量結(jié)果也將會(huì)有所不同。對(duì)於同一個(gè)電子，若我們想知道它的位置，我們直接測(cè)量它的位置所得到的結(jié)果，和我們先測(cè)量它的動(dòng)量後再測(cè)量它的位置所得到的結(jié)果是不相同的。會(huì)有這樣的結(jié)果並不是因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)裝或技術(shù)不夠好而讓我們無(wú)法同時(shí)測(cè)得電子的精確位置和動(dòng)量，那是物質(zhì)（如電子）的一個(gè)內(nèi)在的性質(zhì)（intrinsic property）：無(wú)法同時(shí)擁有精確的位置和動(dòng)量。這就是由Heisenberg在1926年

36、底所提出的不確定性原理（uncertainty principle）。由於位置和動(dòng)量是確定一個(gè)物體軌跡的兩個(gè)基本物理量，無(wú)法同時(shí)得到這兩個(gè)物理量的精確值使得我們不得不放棄電子具有行徑軌跡的想法。所以，在我們觀測(cè)電子之前，我們不能假設(shè)它原來(lái)就在某處，而是只有當(dāng)我們做測(cè)量後，它才真的存在於我們所知道的位置。所以，我們觀測(cè)行為會(huì)影響物質(zhì)存在的位置。 這裡涉及到Copenhagen學(xué)派的量子力學(xué)詮釋的另一個(gè)著名結(jié)果：量子崩現(xiàn)（quantum collapse）。關(guān)於這部分，我會(huì)在下一章討論。若再依據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)會(huì)影響時(shí)空，因此，我們的觀察將會(huì)影響時(shí)空的結(jié)構(gòu)。2.2.4相對(duì)論和量子力學(xué)間的不一致性相

37、對(duì)論和量子力學(xué)都對(duì)我們的時(shí)空觀帶來(lái)衝擊，但這兩個(gè)在廿世紀(jì)初幾乎同時(shí)發(fā)展出來(lái)的兩大物理學(xué)理論，彼此間卻是不一致的。有趣的是，到目前為，這兩個(gè)理論都滿足實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，沒(méi)有有效的反例。1935年，Einstein、Boris Podolsky和Nathan Rosens聯(lián)合發(fā)表一篇文章Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be considered Complete?，以一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)試圖指出他們所認(rèn)為量子力學(xué)的謬誤。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)後來(lái)便以他們?nèi)说拿挚s寫(xiě)，被稱著EPR思想實(shí)驗(yàn)。不確定性原理告訴我們，物質(zhì)的其中一個(gè)內(nèi)在性質(zhì)就是無(wú)

38、法同時(shí)擁有精確的位置和動(dòng)量，因此我們不可能同時(shí)得到這兩個(gè)物理量的精確值。但是，EPR要我們想像的是一對(duì)互相糾結(jié)在一起（Entangled）的兩個(gè)粒子，如果不去測(cè)量位置，不確定性原理是允許我們測(cè)得這兩個(gè)粒子精確的總動(dòng)量的。這兩個(gè)粒子後來(lái)以相反方向各自飛離開(kāi)去，而且有很長(zhǎng)的一段時(shí)間，沒(méi)有和其它的東西發(fā)生作用，直到被我們測(cè)量為止。如果實(shí)驗(yàn)者選擇其中一個(gè)粒子，測(cè)量它的動(dòng)量，我們可以將總動(dòng)量減去所測(cè)得的粒子動(dòng)量而精確地得知另一個(gè)粒子的動(dòng)量。EPR思想實(shí)驗(yàn)對(duì)量子力學(xué)的挑戰(zhàn)是：我們可以去測(cè)量第一個(gè)粒子的動(dòng)量的同時(shí)測(cè)量第二個(gè)粒子的位置，如此，不確定性原理便被迴避掉了；要不然，我們就得承認(rèn)，不管這兩個(gè)粒子後來(lái)相

39、隔多遠(yuǎn)，在測(cè)量第一個(gè)粒子動(dòng)量的那一瞬間（instantaneously），第二個(gè)粒子的位置便被影響了，這影響的作用或訊息的傳遞是不需要時(shí)間的。Einstein稱這樣的作用為“spooky action at a distance”。在量子力學(xué)中，這種性質(zhì)被稱作非局限性（non-locality）。因此，EPR思想實(shí)驗(yàn)告訴我們，我們要不得放棄不確定性原理，即承認(rèn)量子力學(xué)是不完備的理論，否則就得接受有的作用或訊息傳遞是不需要時(shí)間，其傳播速度是超過(guò)光速的。然而，相對(duì)論的其中一個(gè)基本假設(shè)就是：沒(méi)有任何有意義的訊息傳遞是可以超過(guò)光速的，而且不管是那個(gè)座標(biāo)系統(tǒng)，光的速度在真空中是恒定不變的。 見(jiàn)本章2.2

40、.2節(jié)。1964年，John Bell證明了EPR思想實(shí)驗(yàn)其實(shí)是可以做出來(lái)的。而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的意義可以用一個(gè)不等式（Bells inequality）是否成立來(lái)表示：如果實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明這個(gè)不等式遭到破壞，就表示量子世界中的確存在著不需時(shí)間就能傳播的作用或訊息 參見(jiàn)附錄二。Bells Inequality證明。1981-2年，Alain Aspect以光子做出了EPR實(shí)驗(yàn)，證明了非局限性確實(shí)是支配著量子的世界。所以，EPR三人企圖證明量子力學(xué)是不完備的努力沒(méi)有成功，而Einstein所認(rèn)為的spooky action at a distance的確存在。雖然如此，我們能不能說(shuō)相對(duì)論是錯(cuò)的，然後放棄

41、相對(duì)論的時(shí)空觀，重新回到古典物理學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀念？似乎不行，因?yàn)橄鄬?duì)論所預(yù)測(cè)的許多結(jié)果都得到實(shí)驗(yàn)的證明，如光的路徑會(huì)受重力場(chǎng)的影響而偏折、運(yùn)動(dòng)中的微中子半衰期變長(zhǎng)，還有現(xiàn)代人所使用的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）等等都是相對(duì)論非常成功的產(chǎn)物。如果要為相對(duì)論做辯護(hù)，我們要問(wèn)的是：EPR實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)相隔已經(jīng)很遠(yuǎn)的粒子之間所傳遞的，是怎麼樣的一個(gè)訊息？它和相對(duì)論中所要求，傳遞不能超過(guò)光速的訊息之間有何不同？Feynman和Wheeler曾經(jīng)試著用比較古典的方法為non-locality的問(wèn)題提供一個(gè)解釋，雖然一開(kāi)始的時(shí)候被許多大物理學(xué)家如Pauli等人認(rèn)為是不可行而

42、被忽略，但這個(gè)方法在近幾年又重新的被提出來(lái)討論。 Feynman & Wheeler (1940)。2.2.5超弦理論的時(shí)空觀時(shí)空是否就如Minkowski所描述般，是三維的空間加上一維的時(shí)間座標(biāo)所組成的四維座標(biāo)系統(tǒng)？相對(duì)論和量子力學(xué)間的不一致讓許多物理學(xué)家都相信，未來(lái)將會(huì)有一個(gè)將這兩個(gè)物理學(xué)理論，以及所有其它理論統(tǒng)一的新理論，即大一統(tǒng)理論（Grand Unified Theory）。 物理學(xué)中，大一統(tǒng)理論主要是指將物理中的四種交互作用力統(tǒng)一的理論。這四種交互作用力是：重力、電磁力、強(qiáng)核力和弱交互作用力。近三十年所發(fā)展的超弦理論（Super-string Theory）不失為科學(xué)家們心目中大一

43、統(tǒng)理論的候選者。1960年代，當(dāng)許多不同種類(lèi)的強(qiáng)子（hadron）在加速器中被裝造出來(lái)的時(shí)候，有許多不同的理論正試著解釋這些粒子的行為以及它們是如何產(chǎn)生的。其中，Gabrielle Veneziano所建議的數(shù)學(xué)方法，雖然可以很好地模擬這些粒子的行為，但卻無(wú)法找到它所對(duì)應(yīng)到的物理圖象。後來(lái)人們才了解到，他的方法所對(duì)應(yīng)到的物理圖象，指的是一個(gè)一維的實(shí)體弦（string）。於是Veneziano的數(shù)學(xué)方法就被稱為弦理論。1974年，John Schwarz和Joel Scherk發(fā)現(xiàn)弦理論和重力之間的連結(jié)關(guān)係，弦理論於是成為建立量子重力理論（Theory of Quantum Gravity）的理

44、想候選者，它具有成為大一統(tǒng)理論的有利條件。在Schwarz，Scherk和Andre Neveu發(fā)展出一套可以容納費(fèi)米子（fermions，自旋量（spin）為半整數(shù)，即1/2, 3/2,5/2,的粒子）和玻色子（bosons，自旋為整數(shù)，即1, 2,3,的粒子）的弦理論後，Scherk在1976年發(fā)展出超對(duì)稱（Supersymmetry）理論。所謂的超對(duì)稱是說(shuō)：每一種玻色子都有一個(gè)和它相對(duì)應(yīng)的費(fèi)米子，反之亦然。1980年，弦理論和超對(duì)稱結(jié)合，成為我們現(xiàn)在所知道的超弦理論（superstring theory）。雖然超弦理論在1980年就已大致完成，但直到1984年，這個(gè)理論裡的許多一開(kāi)始被認(rèn)

45、為是具威脅性的異例被發(fā)現(xiàn)其實(shí)是會(huì)彼此互相抵消之後，超弦理論才正式被主流的物理學(xué)社群所接受，成為可能真正可以統(tǒng)一量子力學(xué)、重力理論（相對(duì)論）以及粒子理論的物理學(xué)理論。超弦理論雖然統(tǒng)一了各種理論，但是它卻要求弦在高維度（一般是10維度，最高可到26維度）的時(shí)空中振盪（vibration）。因此，超弦理論更新了Einstein狹義相對(duì)論的時(shí)空觀，更新了我們?cè)菊J(rèn)為時(shí)空只有四個(gè)維度的觀念，取而代之的是更高維度的時(shí)空觀。如果超弦理論是對(duì)的，我們?nèi)绾螐囊粋€(gè)高維度，如十維度的時(shí)空壓縮（compactify）到我們可以認(rèn)知的四維度空間？如果十維度空間才是世界的本質(zhì)，以我們的認(rèn)知能力範(fàn)圍來(lái)判斷一個(gè)物體是否存在的

46、時(shí)候?qū)⒂龅綐O大的困難。雖然超弦理論可能可以給我們一個(gè)大一統(tǒng)的科學(xué)理論，但它在時(shí)空問(wèn)題上卻也帶給我們?cè)S多困惑。因此，我們不得不又回到一開(kāi)始的問(wèn)題：時(shí)空到底是什麼？它的本質(zhì)是什麼？它們是真實(shí)的嗎？2.3 時(shí)空的哲學(xué)問(wèn)題其實(shí)，在牛頓之前，時(shí)間和空間的問(wèn)題早已被提出來(lái)。在西方，時(shí)空的問(wèn)題最早可以追溯到青銅器時(shí)代（Bronze-age），也就是西元前38001500年間，這些前人對(duì)時(shí)空問(wèn)題的看法可以在Homer，Hesiod或是一些在Socrates之前的人的著作中找到。 參考Comer Duncan & Micheal Bradie (1998).關(guān)於時(shí)空的哲學(xué)問(wèn)題，可以討論的問(wèn)題非常多且廣，我認(rèn)為我

47、們可以從下列九個(gè)面向來(lái)探討。雖然分成九個(gè)面向，但這些面向彼此之間關(guān)係頗為密切。就本文的目的，我只先概略地介紹各個(gè)面向所要談的問(wèn)題，在下一章再把討論集中在與意識(shí)主體性問(wèn)題有關(guān)的時(shí)空問(wèn)題上。(1) 同質(zhì)性問(wèn)題（Homogeneity）空間上的兩點(diǎn)，除了位置的不同之外，它們之間還有什麼不同？?jī)蓚€(gè)時(shí)間點(diǎn)，除了是不同的時(shí)刻外，彼此間還有什麼不同？如果都沒(méi)有什麼不同，我們便可以說(shuō)空間和時(shí)間是具有同質(zhì)性的。便有哲學(xué)家便以時(shí)間的同質(zhì)性來(lái)論證：時(shí)間不是真實(shí)的。 Mac Taggart (1927)。 (2) 有限性問(wèn)題（Finitude）我們所處的空間是不是有限的？它有沒(méi)有邊際？還是有限而無(wú)邊際？時(shí)間有沒(méi)有開(kāi)始

48、？Leibniz認(rèn)為時(shí)間是上帝在創(chuàng)世紀(jì)時(shí)才開(kāi)始的。在當(dāng)代，隨著宇宙大爆炸理論的提出以及廣義相對(duì)論的發(fā)展，越來(lái)越多的人相信，時(shí)間是有起源的。 Hawking (1988)。另一方面，時(shí)間會(huì)不會(huì)結(jié)束？如果時(shí)間不會(huì)結(jié)束，可以無(wú)限的流傳下去，那麼，組成我們身體的所有分子便有可能在未來(lái)的某一天以同樣的排例方式再一次聚集在一起，我們是不是就因此又活了一次？Hawking認(rèn)為，如果將相廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的不確定性原理結(jié)合，時(shí)間和空間便有可能是有限但沒(méi)有邊際。 同上，p. 48。若時(shí)間會(huì)結(jié)束，結(jié)束之後是怎麼樣的一個(gè)世界？問(wèn)時(shí)間結(jié)束之後的世界是否和問(wèn)宇宙之外是什麼一樣沒(méi)有意義？(3) 連續(xù)性問(wèn)題（contin

49、uity）古希臘哲學(xué)家Zeno便指出，如果空間是連續(xù)的，則物體的運(yùn)動(dòng)將只是個(gè)假象。他的論證如下：若要一個(gè)物體從A走到B點(diǎn)，該物體必需先達(dá)到A和B之間的中間點(diǎn)C，然而，若該物體要達(dá)到C點(diǎn)，它必需再先經(jīng)過(guò)A和C的中間點(diǎn)D。同理，該物體必需先到達(dá)E, F無(wú)限多個(gè)點(diǎn)，因此該物體有無(wú)限多個(gè)間隔要跨過(guò)，而且每跨過(guò)一個(gè)間隔都需要一定量的時(shí)間。然而，一個(gè)有限的物體如何可能完成這件無(wú)限的工作？Zeno因此推論說(shuō)，物體的運(yùn)動(dòng)都只是假象，事實(shí)上所有的東西都是靜止的，沒(méi)有任何東西在動(dòng)。Zeno所提出的這個(gè)無(wú)限問(wèn)題，隨著十八世紀(jì)Augustin-Louis Cauchy 在數(shù)學(xué)上提出Cauchy收歛數(shù)列的算法，被證明其

50、實(shí)是有限的之後，物體運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題便得到解決。但是，不管空間是連續(xù)或是不連續(xù)，都會(huì)滿足Cauchy收歛數(shù)列的算式。因此，我們遇到連續(xù)性的問(wèn)題。古典物理學(xué)和相對(duì)論都隱含著時(shí)空是連續(xù)的想法，而量子力學(xué)卻說(shuō)時(shí)空其實(shí)是有一個(gè)最小單位的，小於這個(gè)最小單位的時(shí)間或空間都是沒(méi)有意義的。問(wèn)題是，時(shí)空問(wèn)題上，什麼是有意義？說(shuō)沒(méi)有意義是否預(yù)設(shè)了時(shí)空的操作型定義？ 時(shí)間的操作型定義是說(shuō)，我們是以測(cè)量時(shí)間的機(jī)制來(lái)定義出時(shí)間。我們將在下一章討論。(4) 等向性問(wèn)題（Isotropic）時(shí)空有沒(méi)有方向的偏好？空間上，如果沒(méi)有，我們就說(shuō)它是等向性的，我相信，一般人也是這麼認(rèn)為。但是，古希臘哲學(xué)家Aristotle說(shuō)：“not

51、any chance direction is up”，由此可知，他認(rèn)為空間不是等向性的。物理學(xué)上也發(fā)現(xiàn)，宇稱（Parity）在某些情況下是不守恒的（non-conservation）， 楊振寧和李政道便因證明宇稱在弱交互作用中不守恒而獲1957年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。有人因此說(shuō)：“上帝是左撇子”。時(shí)間上，我們很容易承認(rèn)它是不具等向性的，也就是說(shuō)它是具有偏好方向的?？墒牵侥壳盀橹?，作為物理律則的數(shù)學(xué)形式中的其一個(gè)參數(shù)的時(shí)間，看起來(lái)似乎都是等向性的，因?yàn)槿粑覀儼盐锢砺蓜t中的t改寫(xiě)成-t，幾乎所有的物理律則都還是和原本的式子一樣。作為研究自然界現(xiàn)象的物理學(xué)，它如何解釋我們?cè)诮?jīng)驗(yàn)上時(shí)間的單一方向性？目前

52、，大部分科學(xué)家所認(rèn)為和時(shí)空方向有極大關(guān)係的兩個(gè)物理現(xiàn)象是：一、熱力學(xué)第二定律（The 2nd law of thermodynamic）。二、量子疊加狀態(tài)的崩現(xiàn)（Collapse of quantum superposition）。(5) 隨物性問(wèn)題（Object dependence）依字面上解釋，時(shí)空的隨物性問(wèn)題可以分成兩個(gè)次問(wèn)題：首先是時(shí)空的存在是否和物體的存在有關(guān)？其次是物體會(huì)不會(huì)影響時(shí)空的性質(zhì)，即時(shí)空是絕對(duì)，抑或是相對(duì)的？這裡所謂的隨物性，我所指的是第一個(gè)問(wèn)題，而第二個(gè)問(wèn)題，我將它歸結(jié)為因果性問(wèn)題，下面會(huì)提到。如果空間的存在是和物體的存在有關(guān)的話，空間就是隨物性的；反之，如果空間的存

53、存和物體的存在與否無(wú)關(guān)，我們便說(shuō)空間不是隨物性的。在這個(gè)問(wèn)題上，比較基本的問(wèn)題是：空間可不可能是絕對(duì)的真空？如果可能，空間的存在便和物體的存在無(wú)關(guān)。Plato、Newton和Kant都認(rèn)為空間是絕對(duì)的，即不管宇宙中的物質(zhì)是否存在，空間就在那裡；而Leibniz卻認(rèn)為空間是相對(duì)於物質(zhì)而存在的。時(shí)空的隨物性問(wèn)題的關(guān)鍵在於：時(shí)空是否為一個(gè)操作型的定義？如果是，我們只能以物質(zhì)位置或狀態(tài)的改變，如光波振動(dòng)的次數(shù)來(lái)給出時(shí)空大小。如果不是，我們將遇到的問(wèn)題是：若沒(méi)有物質(zhì)，時(shí)空又是什麼，它還有什麼意義？(6) 因果性問(wèn)題（Causal Activity）我們說(shuō)時(shí)間或者空間是帶因果性的，如果它是和在其中的物質(zhì)有

54、相互作用。我們所要問(wèn)的是：有沒(méi)有絕對(duì)的時(shí)空？古典物理學(xué)中，時(shí)空是絕對(duì)的，時(shí)間就像是條穩(wěn)定的河流，永無(wú)止盡地流動(dòng)著，而且它的流動(dòng)完全獨(dú)於所有的物質(zhì)；空間就像容器一樣包含著所有的物質(zhì)，而這量器和物質(zhì)之間互不影響。這在猍義相對(duì)論中亦然。然而廣義相對(duì)論的結(jié)果則是時(shí)空具有因果性，它和物質(zhì)之間會(huì)相互影響。(7) 隨心性問(wèn)題（Mind dependence）時(shí)空的存在，需不需要仰賴（depends on）一個(gè)能意識(shí)到它的心靈？Kant似乎認(rèn)為的確是如此。古典物理學(xué)不會(huì)承認(rèn)這一點(diǎn)。 若說(shuō)時(shí)空仰賴於上帝(的心靈)，牛頓應(yīng)該是會(huì)同意的。然而，量子力學(xué)的不確定性原理告訴我們，在我們觀測(cè)之前，我們不能假設(shè)電子原來(lái)就在

55、某處，而是只有當(dāng)我們做觀測(cè)後，才知道它所存在的位置，而且正是因?yàn)槲覀兊挠^測(cè)行為，使得原本處?kù)动B加狀態(tài)的電子崩現(xiàn)成它所在的位置。如果任何的觀測(cè)行為都預(yù)設(shè)了一個(gè)心靈，再加上廣義相對(duì)論物質(zhì)會(huì)影響時(shí)空的結(jié)果，我們就可以得到，時(shí)空是會(huì)有賴於心靈的。(8) 易變性問(wèn)題（Mutability）時(shí)間和空間都有順序性（ordinal）和公制性（metrical）的結(jié)構(gòu)。順序性結(jié)構(gòu)指的是排序的先後；而公制性構(gòu)指的是間隔的大小問(wèn)題。易變性問(wèn)題所要討論的是，時(shí)間（或空間）會(huì)不會(huì)隨著測(cè)量者不同的測(cè)量方式而有所不同。雖然，狹義相對(duì)論蘊(yùn)含了事件的時(shí)間先後順序和間隔，以及距離的大小是會(huì)受察測(cè)者與被觀察物之間的相對(duì)速度的大小所

56、影響：對(duì)不同的座標(biāo)系，兩個(gè)事件是否同時(shí)發(fā)生或是同樣一把尺的長(zhǎng)度等已經(jīng)再也沒(méi)有任何的基礎(chǔ)可以確保，這就引發(fā)了廣為人知的孿生兄弟謬論（twin paradox）。但是，雖然如此，在狹義相對(duì)論下，時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)（geometrical structure）對(duì)各個(gè)觀察者本身而言是不變的。而廣義相對(duì)論則允許在同一個(gè)時(shí)刻裡，互為靜止在兩個(gè)不同位置的兩個(gè)觀察者的時(shí)空具有著不同的幾何結(jié)構(gòu)。甚至是一個(gè)認(rèn)為自己處在靜止?fàn)顟B(tài)的觀察者，隨著時(shí)間的改變，他也可以發(fā)現(xiàn)，他的周遭的時(shí)空幾何結(jié)構(gòu)在改變。(9) 維度性問(wèn)題（Dimensions）人類(lèi)的認(rèn)知能力只有三維度的空間加上一維時(shí)間的變化。但時(shí)空的總維度是只有四維嗎？從古

57、典物理學(xué)到相對(duì)論或量子力學(xué)，時(shí)空都是四維的。時(shí)空是四維是自然界原本就如此，還是因?yàn)檫@其實(shí)只是我們認(rèn)知能力限制下的結(jié)果？Kant曾經(jīng)試著以牛頓物理學(xué)為空間為什麼是三維的給出解釋，但那不失有事後孔明的味道。當(dāng)代超弦理論中，超弦在十維度的時(shí)空中振盪，十維度時(shí)空意味著了什麼？想像如果我們的認(rèn)知能力只有二維一維的空間加上一維的時(shí)間，在這情況下，我們所能認(rèn)知的空間只有前後，沒(méi)有左右，也沒(méi)有上下。若有一個(gè)東西從三維的世界走入我們所能認(rèn)知的二維世界，再走出去，我們認(rèn)知到什麼？我們會(huì)看到這個(gè)東西突然間出現(xiàn)然後又消失了。這個(gè)時(shí)候，這個(gè)突然間出現(xiàn)又消失的東西存不存在？物理學(xué)中一個(gè)極重要的概念就是質(zhì)能守恒：封閉系統(tǒng)中的質(zhì)量和能量的總合是固定不變的。物理學(xué)是以我們的認(rèn)知能力建構(gòu)起來(lái)的，若這個(gè)世界其實(shí)不只是四個(gè)維度，質(zhì)能守恒這個(gè)物理律則就很有問(wèn)題了。物質(zhì)在本體論（Ontological）上的存在也變得非常可議。當(dāng)然，這時(shí)候怎麼樣的一個(gè)系統(tǒng)才算是封閉的，也是問(wèn)題所在。2.4時(shí)空的操作型定義我認(rèn)為，時(shí)空的哲學(xué)問(wèn)題主要爭(zhēng)議在於：時(shí)空是絕對(duì)性的，