空间是绝对的吗？

丹·福尔克

如果宇宙中的所有物质都瞬间消失，空间是否还会存在？艾萨克·牛顿的答案是肯定的。在牛顿的眼中，空间就像《星际迷航》里的全息甲板——一个三维的虚拟现实网络，上面投射有模拟的人和物。正如牛顿在其《原理》中所写：“绝对空间，就其本性而言，与外界任何事物无关，而且永远是相同的和不动的。”

这一理论在日常生活中颇具说服力。我向东走，你向西走，但邮局仍在原地不动：参照系保持不变。但与牛顿同时代的德国数学家和哲学家莱布尼茨不相信绝对空间这个观点，认为如果组成宇宙的众多物体都消失的话，空间就不再具有任何意义。事实上，如果将太空作为观察对象，莱布尼茨的理论会更站得住脚，因为在太空中，你能注意到的只有你和太阳的距离，以及彼此间相对运动的众多行星。莱布尼茨认为唯一合理的解释是，空间是“相对的”：空间只是你与其他物体间不断变化的距离以及其他物体彼此间的距离，并非“绝对现实”。

这与牛顿的看法恰恰相反。绝对空间的影响非常容易观察，牛顿也通过旋转水桶实验对其进行了证明。实验听上去很简单，但它引发了时至今日仍未停止的关于空间、时间、运动、加速度和力量的争论。

从原理上讲，牛顿要求人们想象被绳子吊着的一桶水。将水桶朝顺时针方向转动，绳子就开始被拧紧。放手后会发

生什么？木桶会逆时针转动，先慢后快。与此同时，正如牛顿描述的，“水的表面会从中心下降，并在桶壁升高，就像一个漏斗一样”。一开始，木桶和水同时转动，最终，木桶转速变慢，并反方向转动；水的转速也放缓，水面逐渐归于水平。

高中生都学过的离心力与此实验有些关系，但到底是什么使水沿着桶壁升高呢？牛顿认为，它不是水相对于水桶的

运动，因为当水转动最厉害时，水的表面变化最大，与水桶同步。当然，木桶和水相对于地球在转动，但这也不是答案，因为如果在太空中进行同样的实验，结果是一样的。

在牛顿看来，对水桶实验的唯一解释是，水相对于绝对空间在旋转。这也与惯性力有关，惯性力拒绝物体在运动速

度和方向上的任何变化。当水桶和水转起来时，桶壁阻挡了水的直线运动，使其沿桶壁推升。

为什么物体本身具有惯性力？奥地利物理学家马赫相信，任何关于运动和惯性力的解释，包括水桶中水的运动，都

与宇宙中其他的物质有关。在马赫看来，地球本身也是放大版的水桶：自数十亿年前太阳系形成后，地球就开始旋转，赤道也像旋转木桶中的水一样“突出来”。

如果地球停止自转，而它周围的行星和恒星围绕它转动，赤道还会突出来吗？

牛顿的回答是否定的：没有旋转，就没有突出。但是马赫认为答案取决于物体的惯性力从何而来。如果物体的惯性力是宇宙中众多物质产生的某种作用的结果，那么行星仍然会有突出，因为其他行星和恒星仍在它周围旋转。这便是马赫的相对理论：不止运动是相对的，惯性力也是物体和宇宙中其他物体之间的关系。如果马赫的观点是正确的，恒星和星系，或远或近，都在某种意义上塑造了地球的形状，以及水在牛顿水桶实验中的漏斗造型。但是马赫并没有说明那些遥远的恒星和星系如何发挥自己的作用，即使到了今天，答案仍然很不明朗。

年轻的爱因斯坦可能是马赫最忠实的读者，他努力将这一观点命名为马赫原理，并将这一原理与他的引力理论——

广义相对论——相结合。

爱因斯坦理论的巨大成功是对牛顿绝对空间的最后一击。但是没有了绝对空间，我们仍要考虑如何解释牛顿的木桶实验。在其畅销书《宇宙的构造》中，物理学家布莱恩·格林指出，尽管爱因斯坦的理论排除了牛顿的绝对空间，但仍说明时空这一四维空间结构是绝对的。人们可能会在游行的持续时间或游行队伍间的距离上有分歧，但是在游行队伍的起点和终点之间的时空距离上没有分歧。这比较难以想象，因为我们不能同时看到四个维度，但爱因斯坦的理论公式可以证明这一点。

但是，这还不是格林对物质的最终论断。物理学家认为赋予粒子质量的希格斯场充斥整个宇宙。虽然爱因斯坦的时

空可以作为测量加速度的参照系，但希格斯场有一点做得更好：它对任何通过它的物质产生阻力，这样就可以解释为什么物体一开始就具有惯性力。

还有一个想法来自亚利桑那州立大学的物理学家保罗·戴维斯。他指出，“空”的空间其实是亚原子粒子弹进或弹

出而形成的一个短暂的沸腾的泡沫，并认为这种量子的“真空嬉闹”可以替代绝对空间。

现在，由牛顿的水桶实验引发的有关空间和运动、质量和惯性力的观点仍在困扰着物理学家和哲学家。某种东西使

水沿着桶壁上升，但它究竟是时空构造、希格斯场还是某种量子泡沫，仍有待观察。

延伸阅读宇宙源于一维？

文/Lisa Grossman

粒子物理学现有的标准模型虽然可以解释绝大部分的宇宙，却在大爆炸后的高能状态下失效了。这是致命的问题。例如，标准模型始终无法解释为何宇宙在加速膨胀，而且也无法把宏观和微观物体的物理规律相连接。绝大多数理论物理学家认为，这种缺陷意味着高能状态产生了新的物理规律，可能包含了新粒子和额外的、不可见的空间维度。

布朗大学的物理学家格雷格·兰茨贝格和同事提出了使标准模型适用于高能情况的简单方法：让宇宙的维度消失。如果炙热的新生宇宙只有一维，随着它的扩张和冷却才获得更多的维度，那么一些物理学的顽疾就神奇地治愈了。

兰茨贝格建议把这种维度减小的宇宙想象成手织的挂毯。这个挂毯描绘了三维世界的场景，人物和景观的透视与现实相同。但是如果向它靠近，会发现它越来越像一块二维的布。而在放大镜下看，才发现它其实是一根一维的线通过复杂的方式组合在一起的。