關於時空的話題古老而常新。古老是因為它從古希臘開始就成為思辨哲學追問的終極問題之一，常新則是因為它在近代以來與以物理學為首的自然科學的發展緊密聯繫了起來，成為哲學和自然科學產生交互的主要焦點。因而，無論何時，時空的哲學追問都不會停息，而這種追問只有與物理學最前沿的理論緊密相連，才會處於最佳狀態。
嚴格意義上的物理學時空問題從牛頓經典物理學開始，經歷了狹義相對論、廣義相對論，直到目前最前沿的量子引力理論的發展。在每一個階段，人們對時間和空間的解釋都具有不同的特點。牛頓經典物理學中時間、空間各自分立，具有絕對的地位；狹義相對論中時間和空間不再分離，而作為一種叫作“時空”的實在出現；廣義相對論中，時空不再平直，而是與物質相關，具有了動力學效應；量子引力時空具有離散性，其中超弦理論要求時空是高維且背景相關的，圈量子引力則要求理論是背景無關的。物理學所給出的是時空的表徵形式，是對時空認識的反映，而時空實在論則是在這些理論發展的基礎上，追求對時空本質進行某種思索，因而涉及物理學和形而上學的關係、時空表徵與解釋的關係等一系列科學哲學所關注的論題。
十多年以前，很多哲學家把時空實在論的研究領域稱為一個“戰場”，因為其間充滿了對時空本質是“實體”還是“關係”的爭論。但是21 世紀以後，這個戰場上不再硝煙瀰漫，大多數時空實在論者都一致地轉向尋求一種對時空實在的合理理解。這一方面決定於當代物理學的發展，另一方面則決定於當代科學哲學方法論的發展。
時空實在論的研究現狀
當代時空實在論的研究是伴隨著廣義相對論的產生而重新發軔的，真正意義上的復興是在 20 世紀 60 年代。物理學上廣義相對論的成功與科學哲學中科學實在論的復興共同促使人們重新思考時空的本質。
萌芽期
在萌芽階段，人們對時空實在性的認識是混亂的，包括愛因斯坦本人也是如此。1915 年，愛因斯坦一完成他的廣義相對論就立刻宣稱，理論通過其廣義協變性“剝奪了空間和時間的最後一絲客觀實在性”。在 1916年年初對此問題的回顧中，他又一次提到這個聲明：“（對廣義協變性的要求）剝奪了空間和時間物理客觀性的最後殘餘。”法因曾經提出，這是相信科學的進步多少都會依賴於科學探索者的實在論傾向的科學實在論者的尷尬時刻之一。但很多物理學家可能並沒有注意到，1953 年愛因斯坦開始重新思考自己對時空做出的論斷，認為對絕對空間的代替是一個“可能絕對沒有完成的過程”。1954 年，雅莫提出，愛因斯坦的廣義相對論“從現代物理學的概念圖解中最後地消除了絕對空間的概念”，成為當時流行的時空反實在論的代表觀點。
廣義相對論時空理解的混亂促使哲學家們要站出來澄清時空的本質到底如何。他們在相對論語境中把時空哲學的主題與牛頓和萊布尼茨時代的爭論重新聯繫了起來，爭論時空到底是一種實體的存在還是關係的存在。
由於廣義相對論受到了馬赫思想的影響，並且在形式體系上把時空結構和物質緊密聯繫了起來，於是大多數物理學哲學家直觀地認為廣義相對論完美地證明了時空僅僅是物質之間的關係，從而支持萊布尼茨的關係論。20 世紀 60 年代開始，隨著實在論思潮的興起及後實證主義時代的到來，霍華德·斯坦（Howard Stein）開始反駁廣義相對論支持關係論的觀點：“如果廣義相對論在某種意義上來說確實比經典力學更好地符合萊布尼茨的觀點，這並不是因為它把‘空間’歸為萊布尼茨描述的理想狀態，而是因為空間——或者說是時空結構——牛頓要求它是真實的，在廣義相對論中可能有著令萊布尼茨可以接受它是真實的屬性。廣義相對論並不否認與牛頓‘靜止物’對應的某物的存在；但是它拒絕這個‘東西’的剛性不可動性，並把它表示為與物理實在的其他成分相互作用。”從而為實體論展開辯護。1970 年，約翰·厄爾曼（John Earman）發表論文《誰在懼怕絕對空間》，同樣為實體論做出辯護。這是當代時空實在論實體論和關係論爭論的第一個階段。
第二階段
20 世紀 60～80 年代時空實在論真正復興，進入發展的第二階段。此時，時空問題盛極一時，成為當時哲學雜誌和博士論文的熱門問題之一，但是熱烈的討論背後卻存在著一種混亂。總的來說，由於這個時代人們對廣義相對論的理解並不徹底，關於時空的爭論存在著很多概念不明晰的地方。大家在對時空本質的斷言上無法得到一致的意見，最終甚至連爭論的目標都產生了爭議，人們對面臨的問題和目標充滿了迷茫。當時一種普遍的觀點認為，實體論和關係的爭論無疑觸及了物理學、形而上學和科學認識論的某些最基本的內核，但是對這個問題的糾纏不休讓一部分哲學家感到絕望。因為，時空實在論的復興是建立在對廣義相對論進行解讀的基礎之上的，但人們對時空本質的思考和回答方式卻在很大程度上沿襲了思辨或直觀的方式，有脫離當代科學的嫌疑，認識論和形而上學之間的鴻溝註定這種回答方式得不到確切的結果。
然而，科學理論的目標和本質決定了實在論的生命力並不會因為人們對科學理論某個時刻的理解程度而減弱。從 20 世紀 80 年代開始，時空實在論者開始逐步尋找方法論上的突破。一些哲學家， 如弗裡德曼（Michael Friedman）、厄爾曼等人意識到，要想在時空爭論中找到一條統一的路子，就必須在方法論上有所創新。他們敏銳地看到，如果能找到一個使實體論和關係論的爭論進步的方法，在時空本質的爭論問題上就可能會有重要突破。這促使了時空語義模型的提出，時空實在論的爭論由此進入了第三個階段。
第三階段
1983 年，弗裡德曼在他的《時空理論的基礎》一書中，首次開始構造一種一致的“時空理論”，從而開了使用時空理論語義模型的先河。語義模型的建立賦予了當代時空實在論科學理性的基礎。厄爾曼和約翰·諾頓（John Norton）開始明確地對“實體論”和“關係論”做出概念和內涵上的劃分，並且提出了一種“流形實體論”觀點。
1987 年，一些哲學家開始重新發現愛因斯坦洞問題的哲學含義並最終認為，如果堅持時空的實體論，那麼廣義相對論就會面臨非決定論的困擾，這一發現使流形實體論受到重創。諾頓通過對廣義相對論的研究明確指出，50 年代對空間和時間的反實在論理解並沒有抓住愛因斯坦理論工作的細微之處和深度。同年，厄爾曼和諾頓寫了《時空實體論的代價：洞的故事》一文並得出結論：如果要堅持時空流形實體論的觀念，就要以犧牲決定論為代價。
洞問題的重解
洞問題的發現使人們認識到流形實體論的困難，從而促使了時空實體論的更深入發展，出現了以提姆·馬爾德林（Tim Moudlin）為代表的度規本質論、以戈登·比勞特（Gordon Belot）為代表的精緻實體論和以卡爾·胡佛（Carl Hofer）為代表的度規場實體論等。重要的是，其中語義分析方法的使用使時空的研究方法與當代微觀物理學對象的研究方法完全一致了。從方法論上講，不管是實體論者還是關係論者對時空本質的討論都與語義學的分析方法緊密地聯繫起來，他們對時空的理解大都是通過對空間和時間的不斷髮展的數學和物理學理論的語義分析獲得的。
但形而上學和認識論的問題得不到解決，實體論和關係論之間的爭論就不可能得到解決，因此，無論實體論者和關係論者如何修正自己的觀點，他們似乎仍然走入了一個看不到結局的死衚衕。正如美國明尼蘇達大學教授海爾曼（G. Hellman）在 1988 年訪華時所說：“今天時空哲學中的某些問題與 17 世紀牛頓和萊布尼茨所爭論的那些問題並無很大區別。”
這一階段，物理哲學家陣營中充滿對了時空哲學討論狀況的悲觀情緒，認為時空本質爭論的前景是黯淡的。瑞納齊維茲（Rynasiewicz）就曾經對比了時空哲學當時的狀況與它輝煌的過去：
對實體-關係爭論來說，引人注目的是，雖然它把 17 世紀的自然哲學家們捲入了 19 世紀並且繼續在理論哲學中飽受爭議，但是 20 世紀物理學對這個爭議的興趣事實上已經衰落為零。
但時空實在論在困境中也逐漸孕育出了方法論突破的根基。1989年，厄爾曼在他的《充分的世界和時空：空間和時間的絕對 vs.關係理論》一書中明確表明，實體論會因洞問題而妥協，而關係論則提供了“比整個理論更多的期票”，因而需要第三種理論的出現，而這種時空實在論應該既不同於實體論，也不同於關係論。物理哲學家開始意識到，實體論和關係論爭論僵持不下的根源在於它們直接追問的是“時空的本質是什麼”這樣一種時空形而上學層面的問題。因而，新的方法論必然要克服這樣一種形而上學的對立。
隨著整個科學哲學方法論的進步及其發展中實在論和反實在論融合的趨勢，物理哲學家也在實體論和關係論的爭論中發現了融合的基礎。20世紀 90 年代，詹姆斯·雷德曼（James Ladyman）、史蒂芬·弗蘭奇（Steven French）、約翰·沃熱爾（John Worrall）提出了結構實在論的觀點並很快被應用到物理學時空哲學當中。2004 年，曹天予發表了《結構實在論與量子引力》一文，論證了量子引力理論中結構實在論的可行性。但是由於結構實在論內部存在著本體的結構實在論、認識的結構實在論和知識論的結構實在論的紛爭，在時空結構實在論的發展中，也引起了相應的爭論。時空結構實在論的發展經歷了三個階段，分別以馬若·德瑞圖（ Mauro Dorato） 在 2000 年提出的時空結構實在論、喬納森·貝恩（Jonathan Bain）在 2006 年提出的時空結構論和邁克爾·埃斯菲爾德（Michael Esfeld）與維森特·蘭姆（Vicent Lam）於 2008 年提出的時空溫和結構實在論為代表。在發展的過程中，時空結構實在論逐步提出了克服本體的結構實在論、認識的結構實在論和知識論的結構實在論面臨的困境的方法，為結構實在論注入了新的元素和力量。
時空實在論發展的哲學路徑的明顯轉變除了哲學發展的因素，在很大程度上也受到了當代物理學發展的影響，主要是量子引力的出現成為一個觸碰。量子引力中超弦理論的背景相關性和圈量子引力的背景無關性使人們開始更加深入地思考廣義相對論時空的解釋問題，主要是微分同胚不變性的含義和物理學中的時空背景問題。與物理學哲學家們對時空本質爭論的悲觀情緒不同，量子引力物理學家表現出了對時空實體論和關係論爭論的極大興趣，形成了鮮明的比照。圈量子引力物理學家李·斯莫林（Lee Smolin）就說過：
我想爭論說，量子引力的問題是一個非常古老的問題的一個方面，這個問題是，如何構造一個物理學理論，它要能夠是整個宇宙的理論而不只是一個部分。這個問題有著很長的歷史。我相信，這是萊布尼茨、貝克萊和馬赫等人對牛頓力學的批判背後的基本問題。
正如這一段話論述的基調一樣，斯莫林和卡洛·羅威利（Carlo Rovelli）等物理學家在這一輪時空論戰中站在了關係論的一邊，他們把廣義相對論的微分同胚不變性解釋為時空關係論的表現形式，並把這種思想融入自己的量子引力體系的形而上學假設之中。
這種觀點是很典型的，很多從事正則量子引力研究的物理學家相信，實體-關係的爭論與它們的研究直接相關。事實上，許多物理學家強調廣義相對論解釋問題的重要性。因為他們通常相信，關於量子引力的技術和概念不同的意見可以追溯到對經典理論意見的不同。因而，羅威利宣稱：“對於量子領域的解釋問題的許多討論和分歧只是反映了對經典理論不同但是並未表達的解釋。”
但在物理哲學界，普遍認為目前物理學家的觀點並不是時空實在論的最後結果。時空結構實在論者同樣在量子引力中發現了實體論和關係論爭論的無結果性。比勞特和厄爾曼合作分別在 1999 年和 2001 年發表了兩篇文章，從背景無關性的角度對時空的實體論進行完全的批判，認為如果成功的量子引力是背景無關的，那麼實體論就可能因為物理學的原因而站不住腳。2006 年，厄爾曼基於對廣義協變性的理解，拒絕把時空作為特性的“承載者”存在的思想，我們可以理解為既排除了關係論也排除了實體論。同年，弗蘭奇和迪安·瑞克斯（Dean Rickles）在論文《量子引力遇到結構論：物理學基礎中的交織關係》中通過對量子引力的深入分析，論證了結構論在量子引力時空解釋中的可行性。
總之，當代時空實在論目前的發展趨勢，就是試圖在當代物理學語境中合理地分析和理解理論的內涵，試圖尋找一條能夠融合實體論和關係論，並且能對時空實在性進行合理說明的方法論。時空結構實在論是當前最流行的觀點，但也存在著自己的困境，並且目前各種各樣的結構實在論之間也存在著關注重點和論述方法的不一致，沒有得到統一的解決方案。
（文中配圖均來源於網絡）
《當代時空實在論研究》
作者：程瑞
責編：牛玲，劉溪，程鳳
北京：科學出版社，2017.9
ISBN：978-7-03-054641-8
《當代時空實在論研究》是關於物理學時空哲學研究的著作，以時空實在論問題為主要研究對象，通過對物理學時空概念的變化及當代時空實在論發展路徑選行深刻剖析，尋求走出困境的根本出路，提出-種時空語境實在論策略。本書綜合了哲學史、物理學史和當代料學哲學方法論的最新研究思想，力求系統和全面地展示時空實在論問題的哲學本質，並展示某解決思路對當代科學實在論和科學哲學的借鑑和影響。
本書提出的時空語境實在論就是在當代科學哲學發展的新環境中解決問題的一次嘗試。
（本期責編：李文超）
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