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時(shí)間只是幻覺嗎?

 曾經(jīng)蒼海 2010-07-26


重點(diǎn)提要

  -在當(dāng)今的物理學(xué)中,時(shí)間是個(gè)特別熱門的主題。為了尋找統(tǒng)一理論,物理學(xué)家必須重新檢視非常基本的假設(shè),而其中最基本的幾乎就是時(shí)間了。

  -有些物理學(xué)家認(rèn)為時(shí)間其實(shí)不存在,有些人則認(rèn)為應(yīng)該讓時(shí)間升級(jí)而非降級(jí)。在這兩種觀點(diǎn)之間,還有一個(gè)有趣的想法:時(shí)間存在,但并非基本。我們察覺到的時(shí)間,是由一個(gè)靜態(tài)的世界浮現(xiàn)出來的。

  -早在蘇格拉底之前,哲學(xué)家就曾經(jīng)辯論這些想法,但現(xiàn)在物理學(xué)家把它弄得更具體。有種說法是,時(shí)間可以自宇宙的切割中產(chǎn)生;我們察覺到的時(shí)間反映了這些切割區(qū)塊之間的關(guān)系。

  你在讀著這個(gè)句子時(shí),很可能會(huì)想著“這一刻”(就是現(xiàn)在),也就是正在發(fā)生的“當(dāng)下”。此時(shí)此刻似乎很獨(dú)特、很真實(shí)。不管你對(duì)過去有多少記憶、對(duì)未來如何憧憬,你都活在當(dāng)下。當(dāng)然,你閱讀剛剛那句話的那一刻已經(jīng)不再,這句才是當(dāng)下。換句話說,時(shí)間似乎在流動(dòng),亦即“當(dāng)下”也在不斷更新。在我們直覺的深處,未來是開放的,直到它成為現(xiàn)在,而過去已被固定住了。時(shí)間流動(dòng)時(shí),這種過去固定、現(xiàn)在發(fā)生、未來開放的結(jié)構(gòu)不斷在時(shí)間中前進(jìn)。這種結(jié)構(gòu)深植于我們的語言、思考和行為中,我們的一生該怎么過正懸于此。

  雖然這種想法很自然,卻無法在科學(xué)里找到相應(yīng)的語言。物理的方程式無法表明哪些事件正在發(fā)生,就像一幅沒有標(biāo)記“你在此處”的地圖。方程式中沒有“現(xiàn)在”,因此也沒有時(shí)間流。除此之外,我們可以從愛因斯坦的相對(duì)論得知,不只是單一的現(xiàn)在不存在,事實(shí)上每一刻都同樣真實(shí)(參見2002年11月號(hào)〈神秘的時(shí)間流〉),未來并不比過去開放。

  科學(xué)對(duì)時(shí)間的理解,與我們?nèi)粘I顚?duì)時(shí)間的理解有著巨大的鴻溝,這讓歷史上的思想家大感困惑。一旦物理學(xué)家逐漸剝奪我們賦予時(shí)間的平常屬性,這個(gè)鴻溝益形加深?,F(xiàn)在,物理時(shí)間與經(jīng)驗(yàn)時(shí)間的裂口已深及根基,因?yàn)橛性S多理論物理學(xué)家開始認(rèn)為,時(shí)間甚至根本不存在。

  時(shí)間并非宇宙真實(shí)結(jié)構(gòu)的一部份,這種想法剛開始很令人震驚,難以想象它如何說得通。我們所做的每一件事,都是在時(shí)間里做的,這個(gè)世界就是由時(shí)間串起的一連串事件,每個(gè)人都可以看到我的頭發(fā)變白、物體移動(dòng)之類的事件。我們看到了變動(dòng),而這種改變是相對(duì)于時(shí)間而言的。少了時(shí)間,世界就會(huì)全然靜止。一個(gè)沒有時(shí)間參數(shù)的理論,就必須解釋:如果世界實(shí)際上并沒有變動(dòng),為什么我們會(huì)看到事件的變化。

  最近的研究正嘗試面對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn)。雖然時(shí)間可能并不存在于最基本的層次,但它可能在較高的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生:這就像桌子雖然是由一堆內(nèi)部幾乎空空如也的粒子所組成,但摸起來還是很結(jié)實(shí)。固體是粒子集體浮現(xiàn)的性質(zhì),因此時(shí)間也可能是由世界某些基本組成浮現(xiàn)出來的性質(zhì)。

  “時(shí)間乃浮現(xiàn)的性質(zhì)”,這種想法有可能和一個(gè)世紀(jì)前的相對(duì)論或量子力學(xué)同樣具有革命性。愛因斯坦曾說,他在構(gòu)思相對(duì)論時(shí),最關(guān)鍵的進(jìn)展來自于他對(duì)時(shí)間的重新理解。而物理學(xué)家在追求統(tǒng)一相對(duì)論與量子力學(xué)的夢(mèng)想時(shí),他們相信時(shí)間一樣是個(gè)關(guān)鍵。2008年,基礎(chǔ)問題研究院(FQXi)針對(duì)“時(shí)間的本質(zhì)”舉辦征文,有些現(xiàn)代物理學(xué)的重量級(jí)人士也前來參與。許多人認(rèn)為統(tǒng)一理論描述的會(huì)是個(gè)沒有時(shí)間的世界,有些人則極不愿放棄時(shí)間這個(gè)概念。不過他們都同意,要在統(tǒng)一理論上有進(jìn)展,必須先對(duì)時(shí)間做深入思考。

  時(shí)間的浮沉

  過去這段日子里,我們對(duì)時(shí)間的豐富常識(shí)不斷受到否定。時(shí)間在物理學(xué)中舉足輕重,但隨著物理學(xué)的進(jìn)展,這些功能逐一被其它東西取代。

  乍看之下或許并不明顯,不過牛頓的運(yùn)動(dòng)定律就對(duì)時(shí)間的特性有些特定要求。原則上,所有的觀察者都會(huì)同意事件發(fā)生有先后順序。古典物理假設(shè),不管一個(gè)事件發(fā)生于何時(shí)何地,你都可以客觀說明,它跟宇宙中另一件事比較起來,是先發(fā)生、后發(fā)生、還是同時(shí)發(fā)生。因此,時(shí)間讓世界上所有事件排列得井然有序,而且這個(gè)順序是絕對(duì)的事實(shí),不會(huì)因觀察者的不同而有所改變。還有,時(shí)間必須是連續(xù)的,這樣我們才能定義速度與加速度。

  古典物理中的時(shí)間,還必須具備持續(xù)的概念(也就是物理學(xué)家所說的“度量標(biāo)準(zhǔn)”),這樣才能判定兩個(gè)事件相隔多久。當(dāng)我們說奧運(yùn)短跑選手波特(Usain Bolt)每小時(shí)可以跑43公里,我們必須能測(cè)量一小時(shí)是多久。跟事件的順序一樣,時(shí)間持續(xù)的長(zhǎng)短也是與觀察者無關(guān)的。如果艾麗斯與鮑伯三點(diǎn)鐘離開學(xué)校,各走各的,然后六點(diǎn)回到家碰面,那么艾麗斯所經(jīng)歷的時(shí)間會(huì)等于鮑伯所經(jīng)歷的時(shí)間。

  基本上,牛頓提議這個(gè)世界里有個(gè)主定時(shí)器,它將這世界以唯一且客觀的方式切出某一瞬間,牛頓的物理僅依這座鐘的滴答聲行走。此外,牛頓覺得時(shí)間在流動(dòng),其流向告訴我們哪一個(gè)方向是未來,不過,這個(gè)額外的性質(zhì)并非牛頓的運(yùn)動(dòng)定律必須具備的。

  對(duì)現(xiàn)代的我們來說,牛頓對(duì)時(shí)間的詮釋可能已經(jīng)過時(shí)了,但稍微想一下,會(huì)發(fā)現(xiàn)它很令人驚訝。它的許多特征在邏輯上都是不相關(guān)的,諸如:順序、連續(xù)性、持續(xù)性、同時(shí)性、流動(dòng)與方向,然而它們?nèi)欢翟谂nD稱為“時(shí)間”的這個(gè)主定時(shí)器里。這些特征組合運(yùn)作得很成功,所以歷經(jīng)近兩個(gè)世紀(jì)都沒受到修正。

  19世紀(jì)末、20世紀(jì)初,攻擊來了。第一波是奧地利物理學(xué)家波茲曼(Ludwig Boltzmann)的研究,他推論,由于牛頓定律在時(shí)間里往前或往后都同樣可行,所以時(shí)間并沒有內(nèi)建方向。因此,他提議過去與未來的差別不是時(shí)間固有的,而是起源于宇宙以不對(duì)稱的方式在組織物質(zhì)。物理學(xué)家仍在爭(zhēng)論這種說法的細(xì)節(jié),不過波茲曼已經(jīng)很有說服力地拿掉了牛頓時(shí)間里的一項(xiàng)特征(參見2008年7月號(hào)〈時(shí)間是雙向的嗎?〉)。

  下一波攻擊來自愛因斯坦,他摒棄了絕對(duì)同時(shí)性的概念。根據(jù)他的狹義相對(duì)論,事件是否同時(shí)發(fā)生與你跑多快有關(guān)。事件發(fā)生的舞臺(tái)并非時(shí)間或空間,而是兩者的合體:時(shí)空。兩位觀察者若以不同速度移動(dòng),對(duì)一個(gè)事件在何時(shí)、何處發(fā)生,會(huì)有不同觀點(diǎn),但對(duì)其在時(shí)空里的位置則沒有歧見。時(shí)間與空間是次級(jí)的概念,如同愛因斯坦的大學(xué)老師、數(shù)學(xué)家閔考夫斯基(Hermann Minkowski)的名言:“這兩者必將淡出成為幻影。”

  到了1915年,愛因斯坦的廣義相對(duì)論出現(xiàn),狹義相對(duì)論也被推廣到重力的領(lǐng)域,此時(shí)事情變得更糟。重力會(huì)扭曲時(shí)間,所以這里經(jīng)過的一秒和那里經(jīng)過的一秒可能不相同。能讓時(shí)鐘同步并持續(xù)保持同步,原則上也十分罕見。你無法將這個(gè)世界想象成是根據(jù)單一時(shí)間參數(shù),滴答滴答地逐一開展出來。在極端的情況下,這個(gè)世界可能根本沒辦法被切割成一個(gè)個(gè)瞬間。如此一來,就不可能說一個(gè)事件比另一個(gè)事件發(fā)生得早或晚了。

  廣義相對(duì)論里有許多函數(shù)會(huì)用到“時(shí)間”一詞:坐標(biāo)時(shí)間、局部時(shí)間(proper time,又稱“原時(shí)”)、全域時(shí)間。總的來說,它們執(zhí)行了許多牛頓的單一時(shí)間所做的事,但個(gè)別來說,沒有一個(gè)配得上這個(gè)名詞。要不就是物理不聽從這些時(shí)鐘,或者是即使聽從,這些時(shí)鐘也只適用于宇宙里的一小塊區(qū)域或特定的觀察者。雖然現(xiàn)在的物理學(xué)家認(rèn)為時(shí)間應(yīng)該要從統(tǒng)一理論中剔除,但我們很有理由說,時(shí)間自1915年就消失了,只是我們尚未完全領(lǐng)悟到這件事。

  (摘自臺(tái)灣《科學(xué)人》2010年第101期 文/卡倫德(Craig Callender) 翻譯/張明哲)
 

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