时空是实体，还是我们描述世界的方式？

最近读到一篇《柏拉图奠定西方时空观基础》，里面从柏拉图一直讲到牛顿、爱因斯坦、闵可夫斯基和量子场论。文章本身写得很有意思，尤其是介绍柏拉图《蒂迈欧》里面关于时间、空间、几何和宇宙秩序的部分，我觉得还是很值得看的。不过我读到后面的时候一直有一个疑问，就是我们是不是很容易把“用来描述自然界的数学概念”和“自然界里真实存在的一种东西”混在一起。特别是讲到时间和空间的时候，文章似乎越来越倾向于把时空当成一种独立存在的本体，再进一步把这种思想和柏拉图的理型联系起来。我自己对时空的理解和这个不太一样，所以想把这个问题单独拿出来谈一谈。 我一直觉得，时间和空间首先是人类用来描述自然现象的一套概念和数学语言。比如我们说一个物体的位置是 X、Y、Z，再加上一个时间 t，这当然非常有用，但是 X、Y、Z 这三根轴不是自然界自己画在那里的，原点放在哪里、坐标轴朝哪个方向、用直角坐标还是球坐标，都是我们自己选择的。米和秒也一样，是为了方便测量人为定义的单位。自然界里面真正发生的是物体在运动，是事件有先后，是两个地方之间存在某种距离关系，是一个钟和另一个钟最后读出了不同的时间。我们为了把这些事情写清楚，才建立了空间和时间的概念。我不太觉得还一定要再假设，在这些现象背后存在一种叫“空间”的东西和一种叫“时间”的东西，它们像电子、原子、星球一样，本身就是宇宙里面的某种实体。 这个区别看起来好像只是哲学上的咬文嚼字，其实我觉得还是挺重要的。因为牛顿时代的空间观很容易让人把空间想成一个大盒子，不管里面有没有物质，这个盒子本身都在那里，时间也像一条河一样，不管宇宙里发生什么，都匀速往前流。这样的想法非常直观，所以我们从小也很容易接受。但是后来相对论出来以后，真正被实验推翻的是这种“绝对时间”和“绝对空间”的测量关系，而不一定非要理解成“原来空间和时间其实是一种更神秘的四维实体”。狭义相对论告诉我们，不同运动状态的人对于时间间隔和空间距离的测量会不一样，但是把它们放进一个统一的四维数学结构以后，却存在某些不随观察者改变的量。这个数学结构当然非常漂亮，也非常成功，但是“必须用四维时空来描述这些现象”和“宇宙里真的存在一个四维时空实体”，我觉得还是两回事。前一个是物理理论和实验可以支持的，后一个已经多了一层哲学解释。 到了广义相对论，这个问题就更加明显了。我们经常听到一句非常形象的话，叫“质量使时空弯曲，弯曲的时空又告诉物体怎么运动”。这句话非常好记，做科普也非常方便，但是我觉得人很容易听着听着，就真的想象出有一张叫“时空”的橡皮布，被太阳压出一个坑，地球就在坑边上转。实际上实验真正测到的并不是一张什么橡皮布，也不是一个叫“时空”的东西本身，而是钟在不同引力环境下走得不一样，光线经过大质量物体附近会发生偏折，自由落体的轨迹和我们在普通欧氏空间里预想的不一样。换句话说，我们原来用平直空间和统一时间来描述这些现象不够了，必须换成一套弯曲几何才能把这些观测关系准确地写下来。所谓“时空弯曲”，我更愿意把它理解成我们描述距离、时间和运动关系的几何结构发生了变化，而不是自然界里真的有一个独立的“时空物质”被压弯了。 引力波也是一样。有人会说，LIGO 都已经测到引力波了，这不就证明时空本身会振动吗？我觉得这个说法还是走得稍微远了一步。LIGO 真正测到的是两条互相垂直的干涉仪臂之间的相对长度，以极其微小的幅度按照广义相对论预测的方式变化。广义相对论把这个现象写成时空曲率的扰动传播，这完全没有问题，但是我们也可以把同样的实验结果说成：不同地点和事件之间可测量的距离、时间以及光传播关系，以一种波动的方式发生变化。两种说法最后算出来的实验结果完全一样。如果它们真的对于所有可能的实验都给出同样的预测，那我就会问，为什么一定要再多加一步，说存在一种独立的实体叫时空，而且它本身在振动呢？ 我自己比较倾向于一种更简单的理解。自然界里面真实发生的是各种事件、运动、相互作用以及它们之间的关系，时间和空间是我们把这些关系组织起来的一套概念。这里我并不是说这些关系是假的。两块石头之间的距离当然不是因为人类发明了“米”才存在，两个事件的先后也不是因为人类发明了“秒”才存在。我的意思只是说，“距离关系存在”和“有一种独立实体叫空间存在”不是一回事，“事件有先后和持续”与“有一种独立实体叫时间在那里流动”也不是一回事。我觉得前者是经验事实，后者则是对经验事实的一种本体论解释。如果两个解释没有任何可能的实验能够区分，那从科学方法上看，我反而觉得没有必要把那个额外的实体加进去。 这也是我对那篇文章最后把柏拉图、相对论、量子场论一路连起来最主要的保留。现代物理越来越数学化，这一点毫无疑问，而且现代物理里很多最基本的对象确实已经远远超出我们日常经验，比如场、波函数、希尔伯特空间、时空度规等等。但是数学结构非常成功，并不自动等于数学结构本身就是宇宙最根本的实体。我们完全可以承认一个数学模型对自然的描述精确得惊人，同时仍然保留一个问题：这个数学模型到底只是我们描述自然的语言，还是它里面的数学对象本身就具有独立的实体地位？我觉得这个问题现在并没有被物理实验解决，所以也不应该因为方程里出现了“时空”“场”这些东西，就马上把它们提升成柏拉图式的理型世界。 当然，量子引力可能会让这个问题变得真正有趣。如果将来实验真的发现引力本身具有非常明确的量子结构，甚至发现我们今天所谓连续的空间和时间在普朗克尺度下面会失效，那时我们当然需要重新考虑今天这些直觉。不过即使到了那一步，也未必说明“时空就是一种最基本的实体”。还有一种很有意思的可能，就是我们今天所谓的空间、时间和曲率，本身只是更底层某种量子结构在大尺度上的表现，就像温度一样。温度当然是真实的，可以测量，也可以进入非常准确的物理方程，但是微观世界里并没有一种基本粒子叫“温度”。温度是大量分子运动以后出现的宏观量。也许将来我们会发现，时空也是类似的东西，在我们的尺度上非常真实、非常有效，却不是自然界最底层的组成部分。 所以我并不是要说“时空不存在”，更不是说广义相对论讲错了。我只是觉得，把时空理解成一种独立于物质、独立于事件之外存在的实体，并不是接受相对论所必须付出的代价。我们完全可以接受相对论所有的方程和所有的实验结果，同时把时空理解成描述事件之间关系的一套几何结构。至少在目前没有实验能够区分这两种解释以前，我会觉得后一种说法更节省假设，也更符合科学上不轻易增加不可验证实体的习惯。至于最后自然界到底是不是像柏拉图想象的那样，背后存在一个比经验世界更真实的数学本体，我觉得现在下这个结论还太早。现代物理证明的是数学描述极其成功，但它还没有证明数学本身就是世界。