怎样时间长(怎样时间长点)

华峰博客 40

现在的概念看似简单,实则难以捉摸。

爱因斯坦指出,时间的流动会受到速度和引力这两者的影响,但他本人也无力解释现在的含义,并为此而灰心。同样令人困惑的是:时间为什么会流动?一些物理学家干脆放弃理解现在的尝试,把时间的流动称为一种幻觉。但是,著名的实验物理学家理查德•A•穆勒对此表示反对。他说物理学应该解释实在,而不是否认实在性。

在《现在:时间的物理学》一书中,加州大学伯克利分校的物理学教授理查德·A.穆勒从相对论、熵、量子物理学、反物质、时间反向旅行、量子纠缠、宇宙大爆炸和暗能量着手,呈现出有关现在的一切奥秘。

穆勒指出,标准的大爆炸理论将宇宙的不断膨胀解释为不断创造新的空间。他认为,时间也在扩张,而新生成时间的前沿就是我们所经历的现在。这一发人深省的观点对当下一些重大问题有着无比重要的启示——不仅在物理学领域,而且在哲学领域,包括正在进行的关于自由意志实在性的辩论。更为重要的是,他的理论是可检验的。以下内容选自《现在:时间的物理学》,已获得出版社授权刊发。

《现在:时间的物理学》,[美]理查德·A.穆勒 著,徐彬 译,湖南科学技术出版社2022年4月版。

1

何谓现在?

从古代到文艺复兴,亚里士多德的《物理学》主宰着科学。它是中世纪天主教会的科学圣经。伽利略否认了这本书中的一些主张,致使他遭到了审判。亚里士多德在其著作《物理学》中,用了四个章节努力阐释时间和现在的概念,但还是完全陷入了混乱。他写道,

现在不是一个部分概念:部分是整体的度量单位,因为整体必须由部分组成。另一方面,时间不是由一个个现在组成的。此外,现在似乎连结了过去和未来——它总是保持不变,还是总在变化之中?这很难说。如果它总在变化之中,没有一个部分在时间上与其他部分重合(除非一部分包含另一部分,像较长的时间包含较短的时间那样),并且现在不是现在(即便以前是),且在某些时候已然停止前进,那么一个又一个现在也不能与其他部分重合,先前的现在必定已经停下。

是这些想法过于深刻,还是他们感到困惑了?亚里士多德试图准确地描述现在,但是自己把自己说糊涂了。我们可以得到些许安慰,毕竟如此位德高望重的思想家也发现这个问题十分棘手。

奥古斯丁在其著作《忏悔录》中为自己无法理解时间的流动发出了感叹。他写道:什么是时间?如果没人问我,我就很明白;当我想去解释的时候,自己却不明白了。这句写于五世纪的悲叹引起了我们来自二十一世纪的共鸣。没错,我们知道什么是时间。那我们为什么不能描述它呢?我们对时间都有怎样的认识?

奥古斯丁的难题在一定程度上源于他的信仰,即上帝是全知全能的。他又创造性地提出了一个惊人的概念:上帝必定是永恒的。这一著名的思想限定了现代物理学的研究范畴——描述时空图中物体在时间层面上的特性,但这些时空图却将时间的流动或现在存在的事实排除在外。

奥古斯丁称,对于人类,没有过去或未来,只有三种现实:对过去的事物的记忆,对现存事物的视觉感知以及对未来事物的展望。(狄更斯的《圣诞颂歌》是从中获得的灵感吗?)但奥古斯丁对这种解释并不满意。他说:我的灵魂渴望解开这最棘手的谜题。

电影《土拨鼠之日》(1993)剧照。

爱因斯坦对现在的概念感到困扰。哲学家鲁道夫·卡尔纳普(Rudolf Carnap)在他的《思想自述》中写道,爱因斯坦称现在这个难题对他造成了很大的困扰。他解释说,经历现在对人而言有着特殊的意义,它是本质上不同于过去和未来的东西,但这种重要的区别不会且不能够在物理学领域进行探究。对他来说,不能用科学来解释这一问题令人感到痛苦,但他不得不去接受。因此,他总结道,关乎‘现在’的重要认识不在科学研究的范畴之内。

卡尔纳普不同意爱因斯坦的结论,既然科学在原则上可以研究所有问题,那么就不存在不能回答的问题。但是,任何人在与爱因斯坦持不同意见时,都必须非常谨慎。相比承认他的结论比你的想法更有深度,人们更容易批评他是感情用事。爱因斯坦简单陈述的结论绝不应该被视为简单的思想。哲学家有时会觉得,自己发明了诸如时间几何宿命论(对光速恒定的假设)的复杂表达,就能达到非常有深度的境界。相反,爱因斯坦的表达连孩童都能够理解——这门本事使他成为世人最喜欢引用其金句的科学家。

对于物理学中缺乏对时间流动的解释这一现象,有些理论学家并不把这当作缺陷(像爱因斯坦那样),反而认为它指向了更为深奥的真理。例如,布莱恩·格林(Brian Greene)在他的《宇宙的结构》中写道,相对论宣告我们所处的是一个平等的宇宙,每个时刻都是真实的。他说,我们长期以来都对过去、现在和未来持有错误的观点,这种说法让我们想起了奥古斯丁。格林的结论是,相对论没有讨论时间的流动,因此这种流动必定是幻觉,而非现实的一部分。对我而言,他的逻辑是一种倒退。因为它没有坚持用理论解释我们所观察到的现象,反而认为我们为了向理论靠拢,就需要扭曲观察到的现象。

无神论者嘲笑爱因斯坦在晚年传播宗教信仰,偏离了物理学。但他们从未提及他的担忧之处,即科学甚至不能解决世界上最基本的问题:时间的流动和现在的含义。许多科学家认为,物理学不能探究的问题就不是实在的一部分。这句话是能够得到验证的结论,还是宗教信仰本身?哲学家将该信条命名为物理主义(physicalism)。有没有办法来验证物理学能够涵盖万物的思想?或者所有物理学家都应当如是认为,就像信奉基督教是对美国总统候选人不成文的规定一样?如果是你在挑战物理主义,你能否像爱因斯坦一样,冒着被人嘲笑你是在向宗教靠拢的风险?

亚瑟·爱丁顿爵士在物理实验和理论方面都有着诸多贡献,在众多物理学家中备受敬仰,但他尤其是以解释时间之箭的重大突破而闻名。时间之箭非常神秘(对思考这些事情的人来说),因为我们记住的是过去,而不是未来。然而,即便给出了对时间方向性的解释,在时间的流动方面,爱丁顿依然备感困惑。在1928年出版的《物理世界的本质》(The Nature of the Physical World)中,他写道:时间的伟大之处在于它不断前进。之后他又哀叹道:但物理学家有时似乎倾向于忽视这个方面。

电影《前目的地》(2014)剧照。

史蒂芬·霍金在他的《时间简史》中甚至没有提及现在这一难解之谜。他的书关注的是我们确定能够理解的部分和当前理论研究的领域。霍金谈论了时间之箭,但不涉及时间的流动;探讨了时间的相对性,而不是现在的奥秘。事实上,近年来的所有书籍都是如此。它们更关注有助于统一物理学方程的潜在理论,却不注重解答现在的含义和时间流动的理论。

但是,我们还有希望。

就我们对于时间的理解而言,爱因斯坦所取得的进步是巨大的。后来,费曼发现了时间反向旅行的意义,我认为从那时起,对时间的理解几乎没有取得进展。

在玩拼图时,我们有时很难找到缺失的部分,但真正的障碍是某些拼图已经放到错误的位置。用熵来解释时间之箭就是其中一块放错位置的拼图。在熵局部减少而非增加的情况下,文明形成了。当然,有关破碎茶杯的影片是熵增加的一个很好的例子,因为反向播放完全令人难以信服。但是,制作茶杯的影片就如同反向播放的影片一样,看起来是有问题的。

地球的熵随岩心冷却而减少。熵的局部减少是生命和文明传播的特征。将时间与熵的减少相联系的理论具有一个明显优势,这个理论中最重要的是熵的局部变化,而非某个遥远黑洞的变化。事实上,对于我们所谓的生命而言,熵的减少归根结底是一个必不可少的部分:从土壤和空气中获取无序的营养物,将它们排列到食物中(通过植物生产),再到达身体(通过进食

和消化),之后是成长和学习。身体的熵最终会显著增加,我们称这种现象为死亡。

2

时间的前沿

宇宙大爆炸本身是造成时间的流动的原因吗?许多理论家会说:是的,当然了。但他们不得不用熵的机制来解释宇宙扩张和时间前进之间的关系。大爆炸使得早期宇宙进入低熵状态,这为熵的增加提供了空间。用熵来解释就表明结果尚未得到观测,例如时间的速率和熵之间的局部相关性。但是为什么要这样做呢?让我们着眼于大爆炸本身。我们不需要用熵来作辅助,只需要看如何用大爆炸直接解释时间的流动和现在的含义。

在现代宇宙学图景中,即按照勒梅特的解释,星系是不运动的——至少运动得不显著;除了一个小的固有运动(比如我们向仙女座星系的局部加速),它们静止在固定的坐标上。哈勃膨胀代表的不是星系的运动,而是新空间的创造。这种新空间的创造并不神秘,广义相对论赋予了空间灵活性和弹性。空间很容易膨胀,但一旦膨胀,这种膨胀的未来就会受到广义相对论方程的支配。广义相对论方程指出,空间的几何形状是由它的能量-质量含量决定的。该方程非常优雅简洁:G = kT.

大爆炸是三维空间的爆炸吗?是的,但是一个更合理的假设,一个更接近时空统一精神的假设,是将大爆炸看作是4D时空的爆炸。正如空间是由哈勃膨胀所产生的一样,时间也是由该膨胀所创造的。持续不断的新时间的创造既设定了时间之箭,也设定了它的速度。每时每刻,宇宙都会变得更大一点,时间也会多一点,而我们将时间的前缘称作现在。

电影《彗星来的那一夜》(2013)剧照。

虽然许多人发现空间的持续创造是违反直觉的,但时间的持续创造却恰好符合我们对现实的感觉。这正是我们所经历的。每时每刻,新的时间都在出现。新的时间正在此刻被创造。

时间的流动不是由宇宙的熵决定的,而是由大爆炸本身决定的。未来尚不存在(尽管它包含在标准时空图中);它正在被创造。现在处于边界、冲击前沿,是无中生有的新时间,是时间的前沿。

所有的现在是同时的吗?你的现在和我的现在一样吗?让我们首先在宇宙学的通常参考系中来考虑这个问题,这个参考系是由乔治·勒梅特描述的。他让所有的星系都处于静止状态,而它们之间的空间不断扩大。可以认为每个星系都有一个时钟。根据宇宙学原理(已经建立在勒梅特的模型中),所有的星系看起来都是一样的;自从大爆炸以来,它们都经历了同样的时间,所有的时钟都是一样的。这意味着它们将同时经历现在。

但是在狭义相对论中,同时性的概念可以依赖于参考系。考虑一个以银河系为中心的参考系。在这个参考系中,所有的星系都在远离我们,时间在这些星系中膨胀,它逐渐变慢,并且现在不再同步。在这个坐标系中,大爆炸所过去的时间,对我们来说比对于其他星系要久。现在的概念在整个宇宙中不再是同步的。我们的现在最早出现。就像在狭义相对论中那样,这种同时性的行为并不矛盾,这是广义相对论的特征。

4

对现在的感知

为什么你觉得自己活在当下?其实,你也存在于过去,而且你很清楚这一点。在时间中,你的存在可以倒流,直到你出生的那一刻(或孕育的那一刻,取决于你对生命的定义)。你对现在的关注很大程度上来自于这样一个事实:跟过去不同,现在受制于你的自由意志。根据物理学,正如我们目前所理解的那样,过去并不完全决定未来,至少有一些随机元素起源于量子物理学。这种随机元素的存在意味着物理学是不完整的,未来不是由过去单独决定的,非物理学的实在可以在决定将要发生什么方面发挥作用。物理学是不完整的这一事实为我们提供了可能性,即我们也可以利用自由意志来影响未来。

我不能证明自由意志的存在,但当物理学包含量子不确定性时,它就无法再否认自由意志可能存在。如果你有自由意志,那么你可以运用你的非物理学知识来打开或关闭熵增加的可能路径,从而影响正在发生的事情和将要发生的事情。你可以打碎一个茶杯,也可以重新做一个茶杯,概率和熵与你的决定无关。用约翰·德莱顿的话来说,过去的已经过去了。对于过去,上天也无力改变。而且——这对科幻迷来说是坏消息——你也无力改变。任何通过虫洞的循环都无法改变这一点。

物理学在研究和教学中广泛使用时空图,有效地避免了时间流动的问题。时间轴被视为(大部分情况下)另一个空间轴,在这种时间轴上,时间递进的特性是完全缺失的。现在只是这个轴上的另一个点,仿佛未来已经存在,只是还没有经历。时间旅行包括改变那个现在,沿着轴向前或向后移动。但是现在是不可移动的。现在是4D大爆炸的前沿。现在是刚刚创建未来会影响现在吗?那么正电子呢?正电子在时间上向后移动,来自未来,参与现在的相互作用?是的,这是目前物理学使用的方法,在这种物理学中忽视了现在,它是基于无限时空图的。现行的方法在计算电子磁力强度方面如此成功,可以精确到小数点后10位,是否意味着它的所有假设都是正确的?许多物理学家认为是的,至少在我们找到替代方案之前是这样。

也许是某种不确定性原理在起作用。未来对现在的影响只能达到一定程度,即未来的一部分已经被确定,因此是蕴含在现在之中的。霍金就持有这样的观点。他写道,只有在微观尺度上,时间反向旅行才有可能。他大概不会接受安德森拍摄的正电子是粒子在时间上反向移动的说法。

然而,我要说的是,遥远的未来并不存在,目前还不存在,不像现在和过去那样存在。过去已经确定,过去的已经过去,而未来仍然不存在,因为我们知道它是不可预测的,不受当前物理定律的影响,即使一个放射性原子会衰变,未来也无法预测。宗教决定论者认为未来已经被他们全能的上帝的完美和远见所设定。有一段时间,我们认为我们不需要这样的上帝就能拥有决定论,而是认为物理学本身就可以做到这一点。现在我们有了更多的认识。

狄拉克的方程预言了反物质的存在,费曼通过认识到反物质的解可以被理解为负能量粒子在时间上的反向运动,从而有效地给予它们正能量,从而消除了狄拉克的解释中的荒谬之处,即把负能量粒子解释为充满负能量状态的无限海洋。这都成了历史。费曼认识到,反向负能量状态与正向正能量状态是不可区分的。但是,我们不能过于认真地对待时间反向运动的解释。正电子确实存在,它们有正能量,它们确实在时间上前进,而不是后退。

过去的已经过去了。如果狄拉克方程通过一系列复杂的解释来预测了正电子的存在,那很好。这里有一个历史上的类比。尼尔斯·玻尔第一个提出了正确解释氢光谱的模型,在1913年,这个模型极大地推动了量子物理学这个新兴领域的发展。我们现在知道波尔的理论是错误的,它做出了确切的预测(例如,关于轨道上能量最低的电子的角动量),但这些预测是错误的,所以证伪了该理论。没关系。十三年后,海森伯和薛定谔都提出了更好的理论,在很大程度上受到玻尔的启发,这些理论推导出了完全相同的氢的光谱,但是不会做出错误的预测。

我们仍然尊崇玻尔为量子物理学的奠基人之一。面向大学新生,我们仍然教授玻尔模型,这是介绍量子行为研究的一种简单而令人信服的方式。(很少有教授指出该模型做出了被证伪的预测;他们不想让学生们知道,直观而简单的玻尔模型是错误的,至少是不希望他们在物理学上学习更高级的内容之前这样。)总有一天,我们会对狄拉克和费曼以及他们那些牵强的反物质理论产生同样的感觉。

5

现在的意义

当爱因斯坦意识到空间和时间是灵活可变之后,他在探索现在的意义上迈出了伟大的第一步。勒梅特将爱因斯坦的方程应用于整个宇宙,并建立了一个非凡的模型,在该模型中宇宙空间正在膨胀。几年后,当哈勃发现宇宙确实在膨胀时,由弗里德曼、罗伯逊和沃克独立发展的勒梅特模型成为标准模型,成了所有宇宙学家目前解释大爆炸的方式。

拼图开始拼合起来,但尚存几个障碍——有的拼图片卡在了错误的地方。其中之一是爱丁顿将时间之箭归因于熵的增加。1928年,当爱丁顿提出这一观点时,他并不知道熵的主要来源是不变的微波辐射和遥远的黑洞表面以及遥远的可观测宇宙的边缘。正如薛定谔所指出的,文明依赖于局部熵的减少,但在爱丁顿的方法中,局部熵的减少对于时间的熵箭头没有起任何作用。

另一件摆放错误的图块是对时空图的误读。它没有显示出流动,没有显示出现在这一时刻,所以它提供了一个现成的借口来规避这些问题。一些理论家甚至把这种缺失解释为一种迹象,表明它们是没有意义的概念,是在现实中不起作用的幻觉。这种观点的错误之处在于将计算工具解释为深奥的真理。这本质上是物理主义的错误:如果某事物是不可量化的,它就不是真实的。事实上,它是基于物理主义的极端原教旨主义版本:如果某事物不在我们当前的理论中,它就不是真实的。

第三个错误与物理主义的另一个方面有关:爱因斯坦和其他人做出的假设,即过去能够,而且必须能够,完全决定未来。这背后的哲学驱动力是物理学应该是完备的这一原则。如果量子物理学不允许预测放射性衰变的时间,那么这就是量子物理学的一个需要纠正的错误。这个假设过去常常被人用来否定自由意志,选择的能力。

电影《罗拉快跑》(1998)剧照。

把放错地方的图块拿出来,其中有些甚至不是这幅拼图的一部分,其余的就会以自然的方式拼在一起。随着空间膨胀,时间也膨胀。量子物理学已经在其中运作的时间元素,通过一个我们还不了解的神秘测量过程,就是我们所说的过去。就像我们活在现在一样,我们也活在过去,但我们无法改变过去。现在是刚刚在四维宇宙的膨胀中创造的特殊时刻,是持续的四维大爆炸的一部分。所谓时间的流,是指在不断地创造新的现在的过程中,不断地增加新的时刻,这些时刻使我们感到时间在向前移动。

现在是我们能够施加影响的唯一时刻,是我们能够引导熵的增加远离我们自己,从而协调局部熵减少的唯一时刻。这种局部的减少是生命和文明扩张的源泉。要以这种方式引导熵,我们必须有自由意志——物理学家称之为幻觉的能力,即使当前的量子物理理论在本质上有类似的行为。

如果我们发现比光速还快的速子,自由意志的存在就可以被证伪,这些粒子在某些参考系中意味着结果先于原因。也许我们会发现,通过研究纠缠作为方向的函数(平行于和垂直于银河系的固有运动),因果关系有一个特殊的参照系。最可能的是勒梅特框架,这是唯一一种宇宙中所有的现在都是同时被创建的框架。如果这被证明是正确的,那么我们必须修正相对论。

可以想象,不确定原理有一天会被证明是错误的,它只是我们当前物理理论中的一个不确定度,而不会出现在将取代它的更完整的版本中。但弗里德曼-克劳泽的实验显示了纠缠的实在性,表明远距离的鬼魅作用不会消失。不是某一个物理理论不完整,是整个物理学本身不完整。这一点显而易见,因为物理学本身无法发现,更不用说证明, 是个无理数。其之所以显而易见,还基于一个事实,即容易理解的明确的概念,处于我们的现实经验的核心的概念——如蓝色看起来像什么?——不处在物理学研究的范围之内。

把所有的利他行为都归结为生存本能、最适生物或最适基因的努力,应该被视为一种假说性质的,基于物理主义教条(即一切都可以通过科学解释)为美德做出伪科学解释的投机性尝试。这是一个基于轶事证据的未经证实的假设,不属于达尔文进化论(其背后有大量的数据支撑),也不是基于令人信服的科学证据(如相对论和量子理论)得出的结论。物理主义可以作为物理职业的有效的工作原则,就像相信资本主义可以帮助你运行一个经济体一样,但是大家不应该犯这样的错误,即认为既然物理主义或资本主义能成功的改善我们的生活水准,或是帮助我们取得战争的胜利,就因此认为它们代表了全部真相。

电影《前目的地》(2014)剧照。

抛弃了物理主义之后,我们就会思考同理心的来源。我们爱我们的子孙,仅仅是因为他们携带着与我们相同的基因,还是因为一种更深刻的东西,一种不仅仅是认识到,而是实际上感知到那些与我们亲近的人的灵魂的实际存在?伦理、道德、美德、公平和同情的观念,善与恶的区别,可能都与基本的同理心感知有关——它超越了基因和物理学。

自由意志是利用非物理学知识来做决定的能力。自由意志不过是在可触及的未来选项中做出选择。它不能阻止熵的增加,但它可以控制可达到的状态,这就让熵有了方向。自由意志可以用来打碎一个茶杯,也可以用来做一个新的茶杯。它可以用来发动战争,也可以用来寻求和平。

通常,难度最大的挑战是提出正确的问题。我们很难知道下一个物理学的启示会出现在哪里。爱因斯坦告诉我们,时间是一个适于物理学去研究的课题。我认为他无法解释现在的含义,原因很简单,他拒绝接受物理学是不完备的理念。

我们可能无法很快就能理解相对论和量子物理学之间的相互作用,或是测量的意义,但这些问题值得进一步探讨。在我看来,如果诉诸复杂的数学或神秘的哲学,不太可能获得进步。不管谁破解了这些问题,他都可能是用一些非常简单的例子来解决,或许只用代数就可以了,或许是通过参考手表的指针指向哪里这样的常见现象。也可能是当一些简单的实验得出一个意想不到的结果时,就推动了科学的进步。

当下一个突破发生的时候,我预测它将会带我们回归到童年时代,一种看待现实的方式,这种方式使我们专注于我们甚至尚未意识到我们假设是正确的物理的东西之上,并把它彻底颠倒过来。这个新的爱因斯坦会是谁?你吗?

原文作者/[美]理查德·A.穆勒

摘编/安也

编辑/刘亚光

校对/卢茜

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