時間和空間到底是不是“一家人”?這個物理學官司從牛頓、愛因斯坦的時代一直打到了今天。
有句老話說“誰笑在最後，誰笑得最甜”。但在物理學上，要想“笑”的話，可真得存點兒心眼，換句話說，就是“別高興太早”，因為誰也不知道自己是否是最後一個笑的人。
大約100年前，愛因斯坦推翻了牛頓的時空觀，建立了狹義和廣義相對論。那個時候笑的是愛因斯坦。可是2009年，有位美國物理學家卻又提出，在能量非常高的條件下，也許人們要放棄愛因斯坦的時空觀，而回到牛頓舊有的時空觀上去。如果這話沒錯，那麼這次笑的恐怕是牛頓了。事情怎麼會這麼顛顛倒倒的呢?
愛因斯坦給時間、空間做媒人
時間和空間，對於人類來說可謂是由來已久的概念。人們一直把它們當作世上所有事情發生的背景和舞臺，超然獨立於物質的運動之外。牛頓的時空觀就建立在我們的這種直觀基礎之上。牛頓用運動方程(也就是我們熟知的牛頓第二定律)來描述物體的運動，在方程裡，時間和空間是完全獨立的。時間和空間被用來描述物體運動，但它們自己卻與運動無關，就好比演戲離不開舞臺，但演什麼戲、演得如何卻跟舞臺無關一樣。
可是19世紀末物理學出現了一系列的難題，迫使愛因斯坦提出一種全新的時空觀，顛覆了牛頓的時空觀。原先彼此獨立的時間和空間在愛因斯坦的撮合下，有史以來第一次在他的相對論裡“聯姻”了。
在相對論中，時間和空間不再獨立，而是緊密聯繫在一起，組成了4維的時空，其中空間3維，時間1維。時間流逝的快慢和空間的長度也不再超然獨立於運動之外。運動的物體，長度會縮短，時間會變慢。而在廣義相對論裡，連自然界中最基本的力——引力，也解釋成了空間的彎曲。
相對論和量子力學過不到一塊兒
除了相對論，20世紀還產生了另一大革命性的理論——量子力學。可是奇怪的是，在量子力學裡，牛頓的那一套老的時空觀還依然保留著。也就是說，在量子力學裡，時間和空間彼此獨立，它們只為物質運動提供舞臺……這樣一來，我們可以想像，相對論和量子力學在很多根本性的問題上就對立了。好在應用上它們井水不犯河水，相對論主要應用於接近光速的高速運動粒子以及大尺度空間結構的天體、宇宙等等，而量子力學則主要應用於微觀的粒子。
相對論和量子力學也有過比較成功的結合，那就是在涉及描述高速運動的粒子的時候。這種粒子一方面運動速度接近光速，必須考慮相對論效應;另一方面它們又是微觀粒子，所以須用到量子力學。物理學家為此發展出一套叫做“相對論量子力學”的理論來描述這類粒子。
按照相對論量子力學的思想，各種基本作用力都可以解釋為傳播力的粒子的交換。比如說，電磁力是通過電荷之間交換光子來實現的，好比兩個人相互拋遞一個球，藉此發生相互作用一樣。核力也被解釋為夸克之間傳遞一種叫做“膠子”的基本粒子所產生的。可是，當物理學家按同一思路，把引力解釋成物質之間傳遞一種叫做“引力子”的粒子時，卻遇到了前所未有的困難，計算中不時出現無窮大!——這在物理學上是一個理論失敗的標誌。
毛病出在哪裡呢?被一個接一個的勝利衝昏頭腦的物理學家這個時候才意識到，毛病可能就出在相對論和量子力學在時空觀上的根本對立上。這一矛盾不協調，相對論和量子力學就不可能真正手牽手。
時間和空間又分家
近30多年來，理論家們一直在艱難地想把相對論和量子力學“融為一爐”，但都收效甚微。
與此同時，相對論和量子力學的“爭吵”也在升溫，而“爭吵”的結果似乎對相對論不利。譬如說，相對論認為自然界中不存在“超距作用”，任何作用的傳播都需要時間，而且傳播速度不能超過光速，但實驗上卻發現，一種叫做“量子糾纏”的現象似乎就是一種超距作用。假設一個粒子衰變為正反粒子對，衰變後正反粒子沿著相反的方向運動。它們相離甚遠時，比如一個已經跑到銀河系中心，另一個留在地球上，在如此遙遠的距離下，它們仍然有某種關聯。當其中的一個被操作(比如對它測量)而狀態發生變化時，在銀河系中心的另一個也會即刻發生變化，儘管它們可能相距好幾萬光年。而按相對論的看法，兩個粒子要相互影響，至少也要幾萬年時間對方才有反應。
超距作用的出現，對愛因斯坦的理論很不利。美國物理學家彼得·霍扎瓦提出一個大膽的理論，認為要想建立滿意的量子引力理論，人們應該放棄愛因斯坦的時空觀，而回到牛頓舊有的時空觀上來。
據說霍扎瓦的靈感來自電子在石墨烯中的運動。石墨烯是一種單層的石墨，它有很多非常奇特的性質。比如說，在常溫下電子在石墨烯中的運動遠低於光速，所以這個時候描述它的運動沒必要考慮相對論，只要用量子力學就可以了;而當石墨烯的溫度降到接近絕對零度時，電子的運動速度竟有了意想不到的提高，這時就不能不考慮相對論效應了。
在這個例子中，常溫下不考慮相對論並不是說在這種情況下相對論失效了，其實考慮了相對論結果肯定會更精確，只是計算起來麻煩，而且對最後結果影響不大，因此沒必要“殺雞用牛刀”而已。
而霍扎瓦則想得更遠，他想到了相對論在另一些情況下失效的可能。比如他猜測，在量子引力發生作用的時候(尺度大約在10-35米的範圍)，相對論也許真的就失效了，這個時候，時間和空間完全分離開來。在物理學上，這種狀態屬於超高能狀態，大概只在宇宙大爆炸最初的幾百萬分之一秒時才會出現。此後，溫度降低(類比於石墨烯中溫度降低)，時間和空間才糾纏在一起，相對論才開始起作用。
牛頓又笑了起來
通過這一思路，霍扎瓦修改了愛因斯坦的引力方程，得出了大家夢寐以求的量子引力理論，而且計算中不會出現無窮大。如果這個新理論正確，那麼愛因斯坦廣義相對論就是霍扎瓦理論在低能條件下的近似了，這就像當初牛頓力學是相對論在遠低於光速的條件下的近似一樣。
霍扎瓦為牛頓報了“一箭之仇”，如果牛頓地下有知，會不會開心地笑起來呢?
不過這個新理論是不容易驗證的。它所要求的能量遠遠高於地球上所能實現的條件。所以，目前只能當作是“一家之言”。
但物理學家們已經在迫不及待地用新理論來重新解釋當前物理學上的諸多難點了。比如物理學家曾經很頭疼宇宙開端的奇點，體積無窮小，而質量卻又無窮大，十分古怪。當把霍扎瓦的引力理論用於研究宇宙大爆炸時，人們發現，宇宙並不會出現奇點，宇宙收縮到一定程度後，又會反彈膨脹起來。此外，還有人用新理論來解釋神秘的暗物質、暗能量。
時間和空間曾經在愛因斯坦的撮合下走到了一起，而如今它們又鬧起了分家。而物理學家們則在這個探索過程中，加深了對宇宙的理解，也加深了對時間和空間的理解。
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