想象你正坐在旋轉(zhuǎn)木馬上，閉著眼飛速旋轉(zhuǎn)，身體被狠狠甩向外側(cè)。你憑什么知道自己在轉(zhuǎn)？

牛頓會(huì)說(shuō)：“因?yàn)槟阍凇^對(duì)空間’里轉(zhuǎn)?！?span search-type="3" search-href="newsapp://nc/search?entry=articleKeyword&word=%E7%88%B1%E5%9B%A0%E6%96%AF%E5%9D%A6">愛(ài)因斯坦會(huì)反駁：“別信他，空間是相對(duì)的，你是相對(duì)于群星在轉(zhuǎn)?！?/p>

但最新的宇宙學(xué)觀測(cè)卻給了愛(ài)因斯坦一記“回旋鏢”——宇宙微波背景輻射（CMB）似乎真的提供了一個(gè)全宇宙通用的“靜止背景”。牛頓那個(gè)被宣判死刑的“絕對(duì)空間”，難道正披著新馬甲悄悄回歸？

牛頓的“神之眼”與愛(ài)因斯坦的“手術(shù)刀”

在牛頓的眼中，宇宙就像一個(gè)巨大的、靜止不變的舞臺(tái)。絕對(duì)時(shí)間是一條均勻流淌的長(zhǎng)河，無(wú)論外界發(fā)生什么，它都恒定不變；絕對(duì)空間則是那個(gè)堅(jiān)硬的容器，無(wú)論里面的物體如何運(yùn)動(dòng)，空間本身巋然不動(dòng)。

這種觀念統(tǒng)治了物理學(xué)界長(zhǎng)達(dá)兩百多年。它給了科學(xué)家們一個(gè)堅(jiān)實(shí)的立足點(diǎn)：只要知道了初始條件，就能算盡宇宙的未來(lái)。

但愛(ài)因斯坦來(lái)了。

他帶著狹義相對(duì)論這把"手術(shù)刀"，首先切除了"絕對(duì)時(shí)間"。他告訴我們，時(shí)間不是絕對(duì)的，而是看人下菜碟的。如果你在高速飛行的飛船上，你的時(shí)間流逝會(huì)比地球上慢——這就是著名的"時(shí)間膨脹"效應(yīng)。

小知識(shí)：如果你以99%光速飛行一年，回到地球時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，地球上已經(jīng)過(guò)去了7年！你的雙胞胎兄弟會(huì)比你老6歲。

既然時(shí)間都變得相對(duì)了，空間自然也無(wú)法獨(dú)善其身。在愛(ài)因斯坦的視野里，運(yùn)動(dòng)的尺子會(huì)變短，空間不再是那個(gè)剛性的容器，它開(kāi)始隨著觀察者的速度而伸縮。

但這還不是終點(diǎn)。廣義相對(duì)論更是把時(shí)空變成了一塊巨大的彈性布。物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。大質(zhì)量天體（比如黑洞）會(huì)讓時(shí)空發(fā)生劇烈的扭曲，這時(shí)候，牛頓那個(gè)平直、僵硬的絕對(duì)空間更是連渣都不剩了。

宇宙背景輻射：幽靈般的“絕對(duì)標(biāo)尺”

既然愛(ài)因斯坦已經(jīng)把絕對(duì)時(shí)空觀拆解得支離破碎，為什么我們開(kāi)頭還要說(shuō)它"陰魂不散"呢？

答案藏在宇宙大爆炸留下的"余暉"里。

1965年，兩位美國(guó)工程師在調(diào)試一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的"噪音"。無(wú)論他們把天線指向哪個(gè)方向，這種噪音始終存在。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，他們震驚地發(fā)現(xiàn)：這竟然是宇宙大爆炸約38萬(wàn)年后留下的遺跡——宇宙微波背景輻射（CMB）！

這個(gè)發(fā)現(xiàn)就像在黑暗的房間里突然找到了一盞燈。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)背景輻射并不是完全均勻的。當(dāng)我們觀測(cè)它時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的"多普勒效應(yīng)"：我們?cè)诔硞€(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，那個(gè)方向的輻射溫度會(huì)微略升高，而背后的溫度會(huì)微略降低。

這意味著什么？

這意味著我們可以通過(guò)測(cè)量CMB，算出地球、太陽(yáng)系乃至銀河系相對(duì)于這個(gè)"背景"的運(yùn)動(dòng)速度！目前的測(cè)量結(jié)果顯示，我們的銀河系正以每秒600公里的速度朝著獅子座方向飛奔。

這就好比在一個(gè)漆黑的房間里，雖然看不見(jiàn)墻壁，但你能感覺(jué)到風(fēng)從某個(gè)方向吹來(lái)，從而判斷自己在移動(dòng)。CMB就提供了這樣一個(gè)全宇宙通用的"優(yōu)先參考系"。在這個(gè)意義上，它竟然扮演了牛頓"絕對(duì)空間"的角色，定義了什么叫做"宇宙尺度上的靜止"。

馬赫

馬赫的幽靈：慣性從何而來(lái)？

當(dāng)然，這個(gè)"新絕對(duì)空間"和牛頓的并不完全一樣。牛頓的空間是先驗(yàn)的、神圣的，而CMB參考系是物理的、可測(cè)量的，且隨著宇宙膨脹而變化。

這就不得不提馬赫原理了。

19世紀(jì)末，物理學(xué)家馬赫曾對(duì)牛頓的水桶實(shí)驗(yàn)提出質(zhì)疑。牛頓認(rèn)為，水桶旋轉(zhuǎn)時(shí)水面凹陷，是因?yàn)樗鄬?duì)于"絕對(duì)空間"在旋轉(zhuǎn)。但馬赫反駁說(shuō)：物體的慣性不是因?yàn)樗鄬?duì)于絕對(duì)空間運(yùn)動(dòng)，而是因?yàn)樗鄬?duì)于宇宙中所有其他物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。

愛(ài)因斯坦深受馬赫思想的影響，試圖在廣義相對(duì)論中體現(xiàn)這種"相對(duì)性"。但CMB的存在似乎又在暗示：宇宙確實(shí)有一個(gè)整體性的背景結(jié)構(gòu)，我們的運(yùn)動(dòng)并非完全相對(duì)，而是可以相對(duì)于這個(gè)背景來(lái)定義的。

有趣的是：如果馬赫原理完全正確，那么在一個(gè)空無(wú)一物的宇宙中，旋轉(zhuǎn)的水桶水面應(yīng)該不會(huì)凹陷。但廣義相對(duì)論的計(jì)算表明，即使在空宇宙中，旋轉(zhuǎn)的水桶水面依然會(huì)凹陷。這說(shuō)明，時(shí)空本身可能具有某種"內(nèi)在屬性"，而不僅僅是物質(zhì)相互作用的產(chǎn)物。

時(shí)空的終極謎題

現(xiàn)代物理學(xué)家們對(duì)此保持著謹(jǐn)慎的清醒。他們普遍認(rèn)為，雖然CMB提供了一個(gè)極佳的觀測(cè)基準(zhǔn)，但這并不意味著我們回到了牛頓時(shí)代。

在量子引力的前沿探索中，時(shí)空甚至可能是由更基本的量子比特編織而成的，是動(dòng)態(tài)的、離散的。一些理論物理學(xué)家提出，時(shí)空可能像全息圖一樣，是更高維度信息的投影。

所以，牛頓的絕對(duì)空間并沒(méi)有真正復(fù)活，但它留下的那個(gè)哲學(xué)幽靈——"宇宙是否存在一個(gè)終極的靜止背景"——依然在現(xiàn)代物理學(xué)的殿堂里徘徊，誘惑著人類(lèi)去窺探時(shí)空最深層的秘密。

思考題：如果有一天我們發(fā)現(xiàn)，CMB參考系其實(shí)也不是"絕對(duì)"的，那我們?cè)撊绾味x"靜止"？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的想法！

• 《時(shí)間簡(jiǎn)史》——史蒂芬·霍金
• 《宇宙的琴弦》——布萊恩·格林
• 《愛(ài)因斯坦的宇宙》——加來(lái)道雄

本文為原創(chuàng)科普文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處