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原作者：Paul Halpern 費城科學大學物理學教授 路易·奧古斯特·布朗基(Louis-Auguste Blanqui 1805-1881 法國革命家)凝視著漫漫星空，此刻他在塔爾托(Taureau)的堡壘，身陷囹圄。布列塔尼(Brittany)的海岸靜靜承受著海風的刻蝕，一塊不起眼的巖石剝落下來。布朗基因其在1871年的巴黎公社運動中的活躍角色而被囚禁于此。當他仰望夜空的時候，宇宙中存在著其它世界的可能性給他帶來一絲慰藉。他在《藉星永恒》(Eternity by the Stars 1872)中寫道：雖然地球上的生命轉瞬即逝，但我們可以安慰自己還有無數(shù)個與地球一模一樣的星球，山川鳥獸一樣的形形色色，所有地球毀滅之前已經(jīng)發(fā)生和尚未發(fā)生的事情都如出一轍地會在其他數(shù)十億個世界重演。在那些遙遠的世界里是否一樣有靈魂困于幽暗昏惑。又或許，出于偶然，在這兒抱屈含冤的人們在比彼處依然自由無礙。 布朗基的想法粗看異想天開——搞不好是長期幽禁造成的幻想。但它道出了一個古老的、至今困擾物理學家和宇宙學家的難題。宇宙會在空間或者是時間上重復么？抑或是我們只是無可避免地、永無止境地前進，眼前這一刻不會再現(xiàn)，過去的絕不會回來？ 當布朗基想象人類歷史在空間上重復的時候，19世紀的德國哲學家弗里德里?！つ岵?Friedrich Nietzsche)設想了在時間上重復的情況。他稱之為“永恒回歸”或者“永劫回歸”。尼采徘徊在不可名狀的宏大和深深的沮喪之間，他為自己的發(fā)現(xiàn)感到自豪：他，以及世人都會一遍又一遍、無休無止地重溫他們的生活。這可不一定的好事?！叭绻谀程旎蚰骋挂晃粣耗低禎撊肽阕罟陋毜墓陋氈?，輕言細語：現(xiàn)在的生活、過去的生活，一切地一切你都將會再次經(jīng)歷，無數(shù)次，并且毫無改變，包括每一處痛苦和歡愉、每一次悸動和嘆息……”(《快樂的科學》Gay Science 1882)。不過，無論如何得以永恒——穿越千古回歸地球——算是對飽嘗憂郁、疾病和絕望的補償了。 布朗基和尼采的想法都在一定程度上受到了牛頓運動定律以及機械能守恒的啟發(fā)。這些原理幫助我們理解了控制物體加速度的引力如何影響日月星辰的運動軌道。1814年，法國科學家皮埃爾 - 西蒙拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)證明了將牛頓定律應用于封閉系統(tǒng)可以近乎完美地預測下一刻會發(fā)生什么。“我們可以把此時宇宙的狀態(tài)看成過去的果以及未來的因。”(關于概率的哲學論文 1814)。如果你通曉“宇宙中大至辰宿小至原子”的位置、速度和受到的力，拉普拉斯說“對這樣一位全知來說就是無事不明的了，未來一如過去展現(xiàn)在眼前?！?/p> 然而，這種決定論的終點卻是銜尾蛇式的輪回。在牛頓物理學中，空間只是一個靜候演員的舞臺，物體在其中移動。但如果那些物體本身是由有限數(shù)量的粒子構成——比如一塊冰是由氫原子和氧原子構成的。只要給予足夠的時間，可能的組合就必定在時間和空間上重復。 這種情況好比兩個蛋友一直不停地下井字棋(OOXX)。由于場地有限(3x3個格子)可用元素有限(O/X)，任意可能結果都會重復出現(xiàn)。當然，任何實際的空間具有的組成要素要比井字棋多得多，但是道理是相通的：在時間和空間中循環(huán)重復可能是稀疏難遇的，但只要有機會就會不可避免地出現(xiàn)。 機械能守恒是直接從牛頓定律中得到的。它指出，在沒有摩擦力和空氣阻力的情況下，能量可以一種形式轉化成另一種形式(勢能到動能)。這是一種能量循環(huán)的自發(fā)方式。因此，家里的老式擺鐘會來回擺動，在最高點獲得的勢能在最低點變成動能，如此往復。(當然，實際上，空氣阻力會逐漸減弱這個過程，除非外界重新?lián)軇?。月球繞著地球的相對穩(wěn)定的軌道也體現(xiàn)了守恒律導致的周期性和重復性。 如此一來，科學增添了一點神秘主義的特征。布朗基和尼采都是唯物主義者，相信著人類的思維情感都是化學反應的產(chǎn)物。一切物體本質(zhì)上都是原子組成的，包括產(chǎn)生靈魂這種幻覺的機制。因此，他們也相信物理上的循環(huán)一定會導致思想和情緒的重現(xiàn)。 唯物主義者與原子論緊密相關——一切都是由有限個不可分割的最小單元構成。最早的原子論者是公元前5世紀左右古希臘的留基波(Leucippus)和他的門徒德謨克利特(Democritus)。盡管僅有一些古代哲學家贊同原子論，大家在時間循環(huán)這一點上卻高度一致。和尼采的永恒回歸不同，他們關于循環(huán)的早期觀點是頗為模糊的。在多數(shù)版本中，人類的生命并不會一模一樣重演。而是寬泛的歷史——包括人類和宇宙——會經(jīng)歷一次次的誕生和毀滅，像是不可停止的命運之輪。許多古人認為地球文明會從之前社會的廢墟中演化出萌芽，進而達到力量和財富的盛年，轉而衰敗，在災難中墜落，等待被其它上升的文明取代。 姑且一覽公元前5世紀哲學家恩培多克勒(Empedocles)的觀點。他認為，除了四種經(jīng)典元素，世界是兩種基本力量的混合：愛與恨。愛是引導事物至和諧的吸引力，恨是用來分開他們的。歷史在愛恨各自主導的時代，以及兩者力量相當互相混雜的時代間循環(huán)。 在之后的幾個世紀，繪制循環(huán)是天文學觀測的重要工作——古代少數(shù)算得上精確的科學之一。天文學家可以預知行星在天空中軌跡的神秘能力給統(tǒng)治者留下深刻印象。他們可以預測日月食和連珠(多個行星排成一線)等天文事件。憑此預測能力，統(tǒng)治者視之圣人智者，進而向他們詢問個人建議——開戰(zhàn)的最佳時機、婚禮的舉辦日期——以及天體預測。這樣一來，結合天文知識和個人咨詢結合的偽科學占星術誕生了。 柏拉圖是堅信歷史循環(huán)(不是完全精確的循環(huán))的，并覺得和天文事件密切相關，比如行星連珠。他認為圓形是神圣的象征，因而所有的事情最終都會回到起點。歷史輪回穿過那些黃金歲月和災難時代，而最終的循環(huán)是所謂的“完滿年”：五個天空中當時已知的行星——從水星到土星(不包括太陽和月亮)——完全連成一線的時刻。 還有許多其它古文明相信時間循環(huán)的圖像，盡管大都不是指嚴格的循環(huán)：巴比倫人、古中國人、瑪雅人、早期印度教徒和許多美國原住民社會。因為狩獵和農(nóng)業(yè)的需要，他們密切關注著自然運行的方式：季節(jié)變更、植物生長、動物遷徙和休眠。這些一定程度上讓他們認為循環(huán)也是歷史的重要部分。死亡也成為通往轉世或者變成新的生命形式的入口。最終沒有什么東西是真正消逝的；新生命在舊生命衰亡的土壤之上誕生。 但也不是人人都這么想。古希伯來人就更接受一種連續(xù)的時間觀。他們的經(jīng)文教導說世界起源于一個特殊的時刻，即圣經(jīng)誕生的時刻。人類社會類似的也在一個特定時刻開始，即亞當夏娃的出現(xiàn)。人類墮落的故事伴隨著無可避免的疾病和死亡，是時間之矢在現(xiàn)實的體現(xiàn)。人與神關系改變的標志就是新準則的出現(xiàn)，比如“十誡”。這些事件都意味著歷史是像是穩(wěn)定的河流，從墮落流到末世。基督徒和穆斯林將這些神啟概念融入他們的信仰，由此導致了原罪和救贖相繼的類似年表。亞伯拉罕諸教的神學世界觀都展現(xiàn)了一種前進的時間觀而非重復式的。 直到19世紀初，物理學中都沒有一個特別的時間方向。仍以牛頓定律為例，向前向后都是完全符合的——也就是說，原則上機械可以一直運轉下去。在工業(yè)革命的鼎盛時期，制造商們試圖造出完美無瑕的發(fā)動機，達到完美的效率，不會通過摩擦和發(fā)熱喪失任何能量。真的有聰明絕頂?shù)陌l(fā)明家可以消除這種損耗么？與此同時，鐵路和工廠的發(fā)展也需要更加精確的計時，以此適應標準化的設備和逐漸加快的生活節(jié)奏。好像歷史必然邁向進步和精確，攀登、前進，不再回頭。 盡管有著對完美效率地的需求，損耗卻始是終揮之不去的陰影。法國物理學家薩迪·卡諾(Sadi Carnot)在深具影響力的著作《論火的動力》(1824)中解決了永動機的問題。他考慮一臺蒸汽機的運作：一種利用水的膨脹和壓縮的裝置，通過對它加熱或冷卻來驅(qū)動活塞上下。 活塞通常以連桿連接到曲柄或輪子(例如機車的驅(qū)動輪)，接著將它們轉換成運動。發(fā)動機由此做功。功可以描述力將物體從一個點移動到另一個點的能力。 蒸汽機從冷水池中取水，在鍋爐中加熱，然后將熱水和蒸汽排入熱水池，讓水冷卻。 卡諾發(fā)現(xiàn)的冷熱池之間的溫差越大，發(fā)動機的做功就越多。 盡管如此，其間仍然會有大量的能量浪費。 換句話說，無論發(fā)明家多么聰明，他都無法開發(fā)出效率完美的機器：總會有能量無法利用，并且隨著時間推移會逐漸增加。 1850年代和60年代，德國物理學家魯?shù)婪颉た藙谛匏?Rudolf Clausius)將卡諾關于廢能的結果推廣為被稱為熱力學第二定律的原理，也被稱為熵增(不減)原理。 熵描述了一個系統(tǒng)中有多少能量不可做功。 例如，從汽車尾氣排放到大氣中的熱量不能被回收來為摩托車提供動力。 第二定律普遍地指出，熵必然會自發(fā)增加，或者至多保持不變；永遠不會減少。 熵和溫度差呈反比。 熱量自發(fā)地從熱源流入冷源，這個過程中就可能做功(比如驅(qū)動渦輪)。因此，巨大的溫差意味著高效、低熵的情況。 另一方面，如果系統(tǒng)的各部分之間沒有溫差——這種情況稱為熱平衡——則無法對外做功。 因而，熵會很高。 例如，雖然海洋由于其內(nèi)部分子的運動而具有豐富的能量，但只有當熱量從海洋流入更冷的東西時這種能量才能轉化為功。 顯然，這個方案是不現(xiàn)實的，因此海洋的大部分能量都基本不可能提取出來。 熱力學第二定律也指出，隨著時間的推移，自發(fā)過程會越來越低效，因為冷熱源之間交換熱量的過程會使溫度趨近相等。 也就是說，它們整體的熵逐漸增加。 最終，當溫度均勻時，達到了熱平衡狀態(tài)，就再也不能做一點功了。 熱力學第二定律的另一種表述方式是封閉系統(tǒng)總是自發(fā)地趨向于熱平衡。 此行為定義了明確的時間箭頭。 如果你把冰塊放在一大杯熱茶中，你會觀察到溫度逐漸平衡，得到一杯溫熱的飲料。 但是你永遠不會看到一個冰塊從溫水中自發(fā)地出現(xiàn)，把熱量還給水并使其變熱。 如果你看到這樣一部奇怪的影片，你會馬上明白它是倒放的。 第二定律以此方式給時間規(guī)定了一個明確的方向：它是線性的，而不是周期性的。 克勞修斯的結論適用于封閉系統(tǒng)，例如發(fā)動機。 但對于宇宙本身呢？ 1852年，英國物理學家開爾文勛爵(Lord Kelvin)提出，當整個宇宙中的所有恒星燃燒殆盡，整個宇宙最終將達到相同的溫度。 一旦達到“熱寂”，宇宙里就再無可以做功的地方。 當時，人們還不知曉為恒星提供動力的核聚變過程，因此對恒星壽命的估計要短得多——而且熱寂的前景著實駭人。 今天，我們知道恒星可以閃耀數(shù)十億年。 即使在滅亡之后，恒星也會留下遺物，例如白矮星，中子星和黑洞，它們以不同的速率仍在輻射(盡管可能像黑洞非常緩慢)。 然而，最終的最終——在比開爾文勛爵設想的時間更長的時間范圍內(nèi)——宇宙，如果它繼續(xù)如此前進，終將達到寂靜的狀態(tài)。 換句話說，時間的熵增的箭頭似乎是普適的。 借助現(xiàn)代的儀器和方法，現(xiàn)代科學正在努力嘗試解開時間的本質(zhì)。 人們已經(jīng)發(fā)展了理解時間之箭的新方法，補充了熵增原理。 美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)等在1920年代觀測表明，宇宙正在膨脹。 這一事實表明宇宙學時間也是向前推進的，與宇宙增長同步。 幾個天文學家團隊在1990年代的研究結果表明，宇宙膨脹正在加速，很可能是由一個被稱為“暗能量”的未被觀察到的實體導致的。 在某些理論中，暗能量被認為隨著時間的推移而加強。 最終，它將強大到壓倒所有其他自然界的力并撕裂宇宙的結構，在熱寂之前，宇宙就葬身大撕裂之手了。 大多數(shù)科學家認為宇宙膨脹是不可逆轉的——也有少數(shù)不這么想，如新澤西州普林斯頓的保羅·斯坦哈特(Paul Steinhardt )，安大略省圓周理論物理研究所的尼爾·圖羅克(Neil Turok)和牛津大學的羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)，已經(jīng)設想了一些宇宙更新重啟地方式。他們的每個模型都是非常基于假設的。 斯坦哈特和圖羅克的方法，稱為“循環(huán)宇宙”，描繪了在更高維度(在某些理論模型中假定)我們的三維宇宙與另一個這樣的空間發(fā)生周期性的碰撞——就像兩片面包被砸在一起形成三明治。 每次高維碰撞都會產(chǎn)生能量爆炸，抹除前一周期的痕跡。 彭羅斯的設想，稱為“共形循環(huán)宇宙”，涉及一種稱為共形映射的特別的數(shù)學變換，它把宇宙的起點和終點像莫比烏斯帶一樣扭曲連接起來。 宇宙微波背景(CMB)輻射的觀測和分析已被證明是一種了解宇宙的重要方法。CMB是大爆炸大約38萬年后輻射的遺跡，在整個天際中一點與另一點的溫度略有不同。 應用強大的統(tǒng)計方法，對CMB的溫度分布加以分析，以顏色展現(xiàn)出來的圖像有時會稱之為“宇宙的嬰兒照片”，這種微小的起伏是關于時空性質(zhì)的寶貴數(shù)據(jù)庫。 首先，數(shù)據(jù)分析幫助天體物理學家更精確地確定了宇宙的年齡和幾何形狀。 科學家們現(xiàn)在正從CMB中尋找早期宇宙周期的線索，以及宇宙不同部分之間原始碰撞的傷痕。 如果發(fā)現(xiàn)這樣的痕跡，它們將為“泡泡宇宙”(一種多宇宙模型)模型提供證據(jù)，此模型中，無數(shù)其他不斷擴展的空間各部分像是泡泡浴，可觀測的宇宙從中誕生。 每個泡泡都成長為宇宙的一部分，包括我們看得見的周圍這部分。 因此，可能不只一次大爆炸，而是同時發(fā)生多處爆發(fā)，只要條件合適，就會從宇宙泡沫中產(chǎn)生。來自這些原始碰撞的痕跡將證明我們這片空間并不孤單。 當涉及到量子物理學的亞原子領域時，研究人員也曾認為所有過程都是在時間上完全可逆的，例如電子間散射，無論向后或向前運動,看起來是同樣符合物理規(guī)律的。 然而，在1964年，美國物理學家詹姆斯·克羅寧(James Cronin)和瓦爾·菲奇(Val Fitch)證明，在極少數(shù)情況下，基本粒子的某些衰變模式，稱為中性K介子，違反了所謂電荷宇稱(Charge-Parity)聯(lián)合對稱性或CP不變性的條件，等價于時間對稱性。 簡言之，這意味著如果您把相互作用中的粒子的所有電荷進行反轉(從正到負，反負到正)并在空間上也進行反轉，就好像它在鏡子中的反射圖像一樣，所得到的圖像將具有類似于原始相互作用的特征——除了在時間上是倒轉的。 如此變換后，一個負電荷的電子向右朝著一個正電荷質(zhì)子運動就變成一個正電子(電子的反物質(zhì)對應物)向左遠離負電荷的反質(zhì)子。逆著時間看后一個過程，你會看到正電子和反質(zhì)子相互吸引的過程(和初始過程一樣)?？梢姛o論時間正向和時間逆向過程都同樣合理的。 但是，嘗試將以上步驟應用于K介子(這是個衰變過程)，你會發(fā)現(xiàn)正向過程和逆向過程的概率存在差異。 也就是說，一個比另一個更常見。 自然界，即使在最深層次，也可能偏好某一個時間方向。 總之，我們在自然界中觀察到的時間箭頭——由于熵增、宇宙膨脹和粒子物理學中的某些物理過程——都表明人類事件的重現(xiàn)極不可能。 據(jù)我們目前所知，宇宙正在衰老; 尼采的永恒回歸似乎與世界的基本規(guī)則沖突。 而另一方面，如果宇宙在空間上是無限的，那么仍有可能存在著與地球幾乎相同的行星，在無數(shù)光年之外。 如果我們考慮一個無盡的宇宙，空間的重復可以偶然地發(fā)生。 也許就在其中的一個，遠在我們永遠無法觀察的地方，另一個布朗基可以自由行走在大地上。 |
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