最深刻的哲學問題之一是：為什么會有東西存在,，而不是什么都沒有？為什么在沒有物質(zhì)的情況下還會有空間和時間,？物理學中的大多數(shù)東西都表示為場,，即定義在空間和時間上的連續(xù)函數(shù)。有電磁場,，物質(zhì)場,，強場和弱場。所有這些場都有所謂的“基態(tài)”,，即它們存在于其最低能量水平的狀態(tài),。在經(jīng)典物理學中，牛頓,、拉格朗日,、哈密頓，甚至愛因斯坦的相對論中,，場的基態(tài)趨向于為零,。例如，如果我周圍沒有帶電的東西，我可以預測周圍也不會有電場,。我所知道的經(jīng)典物理學的一個基本理論是愛因斯坦的廣義相對論,，它具有非零基態(tài)。它預示著即使在真空中也不會真的什么都沒有,。廣義相對論是關于引力的理論以及時空曲率是如何產(chǎn)生引力的,，但是在沒有質(zhì)量，沒有行星,，恒星,，星系，或者任何可以彎曲時空的東西的情況下,，仍然有空間和時間（只是它們是平的）,。因此，許多引力理論實際上不是把引力表示為時空本身,，而是表示它由時空彎曲產(chǎn)生,。這給我們帶來了一個難題。電磁力顯然不是這樣的,，其他的力或物質(zhì)也是如此,。這就提出了一個問題：什么是空間和時間？它從何而來,？它真的是基礎嗎,？也就是說，它是自發(fā)存在的還是某種更基本的微觀量子現(xiàn)象的產(chǎn)物,？盡管弦理論家聲稱擁有一個萬物理論,，卻沒有一個空間和時間的理論。相反,，弦理論依賴于打結(jié)的時空（所謂的微時空）,，弦在其中振動。弦的作用之一就是創(chuàng)造引力以及自我產(chǎn)生彎曲的時空,。其他理論,，如圈量子引力提出時空不是基礎。相反,，事件和事件之間的聯(lián)系才是,。空間和時間最終是相互關聯(lián)的事物發(fā)生和引起的產(chǎn)物,。因果集理論在這方面是相似的,。那么，為什么事件是最基本的呢,？空間和時間的簡史在現(xiàn)代物理學發(fā)展之前,，占主導地位的物理哲學是機械論的,。機械論哲學假設宇宙是由一組固定的基本量組成的，而物理學的目標是確定一個有限的規(guī)則框架來管理這些量,。粒子是由力,、電磁和引力調(diào)節(jié)的點。它們都被假設是獨立存在的,，并且具有一組離散的屬性。例如,，一個電子有電荷和靜止質(zhì)量,。這種哲學產(chǎn)生了這樣一種觀點，即空間和時間是物理過程發(fā)生的舞臺,。因此,，假設粒子和力服從一定的時空原則：- 連續(xù)性：粒子在空間和時間中沿著連續(xù)的軌跡運動。
- 局部性：相互作用總是局部的,，在空間中分離的實體不能相互作用,。
廣義相對論的發(fā)展修正了但沒有摧毀時空是“物理過程發(fā)生的舞臺”這一思想。廣義相對論指出空間和時間不是一個固定的“舞臺”,，而是能夠根據(jù)其中的物質(zhì)而改變的,，它承認了時空的連續(xù)性和局部性。愛因斯坦的目標是徹底消除空間和時間作為基礎的觀念,。用他自己的話來說：沒有所謂的空的空間,，時空并不聲稱它自己存在，而只是作為場的一種結(jié)構(gòu)性質(zhì),。 正如我上面提到的,，他的理論承認了空間和時間的存在，所以盡管他這樣說,，但他的理論從來沒有實現(xiàn)過,。量子理論打破了局部性假設關于量子理論意義的爭論還在繼續(xù)，但關于量子系統(tǒng)及其與經(jīng)典理論的區(qū)別,，有一件事是明確的,。量子現(xiàn)象，如描述粒子并不總是可分離的,。這意味著可以有兩個粒子A和B它們時刻相互作用,，無論它們相距多遠，它們共享一個狀態(tài),。盡管愛因斯坦希望將空間和時間作為獨立的實體來破壞,，但他相信局部性，而且量子理論的非局部性表明它有問題,。然而,，由于海森堡測不準原理,，你甚至不能給任意小的空間和時間區(qū)域賦予屬性。屬性必須總是分配給存在于空間和時間區(qū)域的概率場,。因此,，空間和時間中的位置沒有同一性，可以說只是作為數(shù)學上的方便而存在,。量子理論認為局部性是一種錯覺,，是發(fā)生在量子波之間的退相干的副產(chǎn)品，從而使非局部性效應得到抑制而局部性效應得到增強,。例如,，當你對粒子加速器內(nèi)部發(fā)生的事情進行預測時，你是在觀察跨越時空的一切事物是如何影響加速器內(nèi)發(fā)生的事情的,。盡管這些貢獻最終會相互抵消,，但它們?nèi)匀淮嬖凇＿@就是非局部量子理論,。盡管失去了局部性,，但在量子理論中，空間和時間仍然基本存在,。連續(xù)性也仍然存在,。黑洞和量子引力挑戰(zhàn)著連續(xù)性愛因斯坦理論的一個問題是，它暗示時空會不時地發(fā)展出奇點,。這些點的曲率和密度無窮大,，物理定律失去了意義。這可能是一個連續(xù)性的問題,，因為在一個純粹由離散塊定義的宇宙中,，奇點不再是可能的。對空間和時間連續(xù)性的最早挑戰(zhàn)來自約翰·惠勒的工作,，他在時空幾何的量子動力學理論中表明,，在小尺度上，空間和時間將形成小蟲洞,，連接以前沒有連接的點,。這種時空量子泡沫使得測量比普朗克長度更小的距離或使時鐘同步更接近普朗克時間變得不可能，因為這樣做所需要的連續(xù)性已經(jīng)不復存在,。你不能說空間中兩個點之間的距離是多少,，因為它們可以乘上任意的路徑。考慮到局部性消失的地方,，這可能意味著時空的連續(xù)性只是一個近似,。因此，任何建立以連續(xù)流形假設為基礎的時空幾何量子理論的方法都注定要失敗,。事實上,，因為廣義相對論和量子理論都表明,，在極端尺度下存在著連續(xù)性的問題，無論是在物質(zhì)密度上（如黑洞）,，還是在局域性和可分離性上,，它們的組合只會使情況變得更糟，似乎愛因斯坦和牛頓的連續(xù)流形是問題所在,。時空是離散的而不是連續(xù)的這一觀點并不新鮮,。它至少可以追溯到希臘。然而,，在現(xiàn)代意義上的曲線幾何中,，它甚至早在愛因斯坦之前就被19世紀的數(shù)學家黎曼所承認，廣義相對論的數(shù)學基礎很大程度上要歸功于黎曼,。黎曼質(zhì)疑在非常小的空間中定義幾何的有效性，他在1854年提出：構(gòu)成空間的基礎必須形成一種離散的繁復性,，否則我們就必須在它的外部,，在作用于它的束縛力中尋找它的度量關系的根據(jù)。 換句話說,，連續(xù)的流形不能自行存在,。它必須通過某種外力來保持連續(xù)性。原因是在一個離散的幾何中,，幾何的組成部分沒有應用到它們自己身上,。因此，幾何圖形不必被遞歸地定義,。另一方面,，在連續(xù)幾何中，你不能定義度規(guī)的“基礎”,。偉大的數(shù)學家克利福德早在愛因斯坦之前的1876年就闡述了黎曼理論,，提出了一種平面幾何中離散的方案，通過波來產(chǎn)生這種幾何結(jié)構(gòu),。他進一步提出,，這種交流負責物質(zhì)本身的運動！這比廣義相對論早了45年,！因此,，實驗似乎排除了牛頓所有的假設，只有最后一個——連續(xù)性,。理性表明,，它也必須被排除。連續(xù)時空的替代品最明顯的擺脫連續(xù)性的方法是假設空間和時間是某種晶格,。廣義相對論的許多早期格點模型都摒棄了連續(xù)時空,，但是晶格點上的實數(shù)是不變的,。它們似乎遇到了和相對論一樣的問題，因為它們在晶格上保持了連續(xù)性,。這些模型中的許多已經(jīng)成為廣義相對論的計算模型,。為了完全擺脫實數(shù)，一種晶格方法可以表明,，例如,，量子場產(chǎn)生的測量值都是有理數(shù)。如果只有有理數(shù),，那么連續(xù)性是有理數(shù)密度的副產(chǎn)品,。這里的密度指的是有理數(shù)與實數(shù)之間沒有可測量的空隙。本質(zhì)上,，實數(shù)和最近的有理數(shù)之間的距離總是零,。這種方法保留了廣義相對論的對稱性，如洛倫茲不變性,，盡管缺乏實值,。在這些離散格點方法中，通常用有限差分方程代替所有的相對論微分方程,。這些方程包含兩點處的函數(shù)除以兩點之間的距離,，近似于導數(shù)。然而,，這并不是真的合適,，因為有限差分方程只是簡單地近似于微分方程。更不用說他們在等式中保留了“距離”的概念,。它們通常違反連續(xù)微分方程所滿足的對稱性,。這就是為什么肯尼斯·威爾遜在發(fā)展強力的格點規(guī)范理論時，用保留了連續(xù)方程對稱性的規(guī)范算子來定義他的格點方程,。在這種情況下,，有限差分方程只是離散規(guī)范不變格方程和連續(xù)微分方程的近似。這就引出了另一種方法：阿什特卡程序,，它是圈量子引力的基礎,。在這個程序中，廣義相對論的連續(xù)流形被循環(huán)代替有限差分,。這些循環(huán)類似于威爾遜的強力循環(huán),，但它們不再存在于時空中。相反,，循環(huán)本身是基本的,，它的點在空間和時間上的位置是沒有意義的。一種更奇特的方法是非交換幾何,，它更多地產(chǎn)生于量子理論的數(shù)學而不是任何真正的物理動機,。它的結(jié)果是否適用于物理世界尚不清楚,，但它代表了一個強大的數(shù)學程序，它將代數(shù)和幾何聯(lián)系起來,，這對于基于過程的方法可能很重要,，我稍后將提到。許多這些方法假設離散時空只出現(xiàn)在最小的尺度上,，而時空是隨著尺度而出現(xiàn)的,。然而，在自旋網(wǎng)絡和旋扭理論中,，彭羅斯試圖用適用于所有尺度的組合法則建立起一套時空理論和量子理論,。量子理論中出現(xiàn)時空的其他方法將一些整數(shù)值應用到量子系統(tǒng)中，然后展示時空是如何出現(xiàn)的,，例如,，從支配物質(zhì)的狄拉克場中，以正確的維數(shù)出現(xiàn),。這也解決了“空”空間具有幾何性質(zhì)的問題,，因為量子時空從來就不是真正的空的。他們?nèi)匀徽J為量子場是獨立的和基本的,。超越機械到過程上述大多數(shù)方法在哲學上仍然是機械論的。另一種選擇是基于過程的哲學,。在以過程為基礎的哲學中,，物理屬性、粒子和場并沒有內(nèi)在的存在,。相反,，它們是一個逐漸形成的過程。因此,，運動才是最基本的,。在20世紀50年代，大衛(wèi)·鮑姆也許是這種物理方法的最偉大擁護者,，他提出了隱含和解釋順序的理論,。此外，量子物理學與古典物理學恰恰相反,，因為沒有任何東西是真正可分離為不同實體的,。粒子只是底層結(jié)構(gòu)中相對穩(wěn)定的部分。因此,，事件不存在外在原因,。相反，所有事件都只是一個動態(tài)重新配置自身的單一結(jié)構(gòu)的模式,。盡管如此,，量子物理學自誕生之日起就被人為地置于一個機械結(jié)構(gòu)中,，在這個結(jié)構(gòu)中，操作符以線性方式進化波函數(shù),。然而,，這是一種經(jīng)典的解釋。系統(tǒng)的動力學（由一些量子代數(shù)給出）而不是狀態(tài)應該被視為更基本的,。這種方法得到了量子場論之父保羅·狄拉克的支持,。將量子力學和所有物理轉(zhuǎn)化為面向過程的結(jié)構(gòu)的關鍵是將突發(fā)波函數(shù)（狀態(tài)向量）和場（如旋量場）從量子代數(shù)中移除，這樣只保留量子系統(tǒng)的過程或運動,。因此,，沒有粒子或場，只有運動,。場和狀態(tài)向量從動力學中顯現(xiàn)出來,。你可以把它想象成創(chuàng)建一些數(shù)學對象，這些對象是相互關聯(lián)的,。對象和關系構(gòu)成了一個代數(shù),。例如，實數(shù)代數(shù)包括實數(shù)以及乘法,、加法,、交換性、結(jié)合性和恒等規(guī)則,。在量子物理學中,，對象（通常表示為矩陣）可以有更多的反直覺代數(shù)。過程哲學對時空的啟示同時創(chuàng)造物質(zhì)和時空幾何的量子代數(shù)可能是時空和量子引力錯覺的解決方案,。物理實體和性質(zhì)的非定域性,、連續(xù)性和獨立性等問題都來自量子代數(shù)所描述的過程。從某種意義上說,，這類似于彭羅斯的基于自旋網(wǎng)絡的方法,，但它依賴于代數(shù)的思想，這種思想自然地連接到幾何,，就像高中代數(shù)連接到歐幾里德幾何一樣,。雖然這種量子引力的方法和最終解決空間和時間從何而來的問題仍然有效，但它提供了一個強大的替代理論,，在這些理論中,，要么時空是基本的，要么一些潛在的內(nèi)在和獨立的機制是基本的,。相反,，一切都是過程的結(jié)果。正是這種流動的性質(zhì)決定了什么會出現(xiàn)。
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