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時(shí)間真的會(huì)“流逝”嗎?

 逸心茶舍 2020-06-09

凡是具有天然運(yùn)動(dòng)和生死的,都有一個(gè)循環(huán)。這是因?yàn)槿魏问挛锒际怯蓵r(shí)間辨別,都好像根據(jù)一個(gè)周期開始和結(jié)束;因此,甚至?xí)r間本身也被認(rèn)為是個(gè)循環(huán)。

——亞里士多德《物理學(xué)》


人們最早對(duì)時(shí)間的直觀認(rèn)識(shí)或許來自對(duì)自然的觀察。太陽東升西落,四季更迭,花開花落,這些循環(huán)的現(xiàn)象讓人們形成了一種最初的時(shí)間觀,認(rèn)為萬物循環(huán),時(shí)間本身也是一個(gè)循環(huán)。

循環(huán)的時(shí)間觀或許更能給人帶來一些寬慰,輪回與重生或許能消除些許恐懼。但是在日常生活中,我們最直觀的體驗(yàn)是線性的時(shí)間。我們可以在空間中向前走兩步,再向后退回到原處,但我們卻無法在時(shí)間流逝兩秒后,再回到兩秒之前。時(shí)間本身真的像我們感受的這樣具有方向嗎?


對(duì)我們這些堅(jiān)信物理學(xué)的人來說,過去、現(xiàn)在和未來之間的區(qū)別……不過是一個(gè)幻覺而已……

——愛因斯坦


從科學(xué)的角度來說,“時(shí)間概念的誕生”可以追溯到17世紀(jì),也就是牛頓和以他為代表的經(jīng)典力學(xué)體系的出現(xiàn)。在牛頓體系中,時(shí)間和空間都是絕對(duì)的,任何事情都發(fā)生在某個(gè)時(shí)刻的某個(gè)地方,換句話說,牛頓的體系反映了一種決定性的世界觀,世界變得可以被預(yù)測。但牛頓的理論沒有解決的是,經(jīng)典力學(xué)的方程無法斷定哪里是過去,哪里是未來,時(shí)間的方向被抽走了。

牛頓體系完全符合我們?nèi)粘?duì)世界的認(rèn)知,在很長一段時(shí)間里,它一直是科學(xué)界的主導(dǎo)。但現(xiàn)在,當(dāng)我們的認(rèn)知不斷突破極大和極小的邊界,我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到,在宇宙尺度上,或者聚焦在原子和亞原子尺度上,牛頓的理論就不再適用。

相對(duì)論量子力學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)的兩大革命?;蛘呖梢赃@么理解,牛頓的理論是廣義相對(duì)論在弱引力場下的近似。它符合我們?nèi)粘5恼J(rèn)知,是因?yàn)樵诜窍鄬?duì)論性運(yùn)動(dòng)和弱引力場下,廣義相對(duì)論可以簡化為牛頓理論。

愛因斯坦的相對(duì)論打破了牛頓絕對(duì)的時(shí)間觀念。在相對(duì)論的體系下,三維空間和一維時(shí)間被合并成了四維時(shí)空。但是和牛頓的理論所面臨的問題相似,相對(duì)論同樣建立在“無方向的時(shí)間”的概念上。

20世紀(jì)中后期,一些科學(xué)家試圖將相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)一,建立起量子引力理論,它能夠解釋時(shí)間的單向演化。這其中不乏一些人們熟知的名字,比如彭羅斯。但這種統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)似乎還需要走很長一段路。

既然目前物理定律中的時(shí)間似乎并沒有方向性,我們?yōu)楹稳詴?huì)覺得時(shí)間“一去不復(fù)返”?


我們對(duì)時(shí)間流逝的感覺,一面固然被經(jīng)典力學(xué)、相對(duì)論、量子力學(xué)搞亂,另一面卻從熱力學(xué)中得到支持。

——柯文尼&海菲爾德《時(shí)間之箭》


科學(xué)家同樣試著在宏觀層面上來討論這個(gè)問題。熱力學(xué)第二定律告訴我們,一個(gè)孤立系統(tǒng)的(一種系統(tǒng)無序性的度量)在后來時(shí)刻的值,將大于(或者至少是不小于)它在之前時(shí)刻的值。

這條定律關(guān)上了永動(dòng)機(jī)幻想的大門,卻開辟了一條理解時(shí)間流逝的路。

1927年,物理學(xué)家愛丁頓最早提出了“時(shí)間之箭(Arrow of Time,又譯“時(shí)間之矢”)的概念,認(rèn)為時(shí)間的單向性可能與熱力學(xué)中的熵存在某種聯(lián)系。

但問題并沒有那么簡單,因?yàn)闊崃W(xué)第二定律并不能真正解釋時(shí)間之箭,它說的僅僅是,高熵的狀態(tài)比低熵的狀態(tài)更有可能出現(xiàn)。因此,其中一種解釋還需要一種假設(shè),那就是宇宙恰好以一種極不可能的低熵狀態(tài)開始的,如果不是這樣,時(shí)間就會(huì)被“卡住”,任何有趣的事情都不會(huì)發(fā)生。羅韋利(Carlo Rovelli)認(rèn)為,如果宇宙是在一個(gè)隨機(jī)狀態(tài)下啟動(dòng)的,那過去和未來就不會(huì)有區(qū)別了。

事實(shí)上,觀測證據(jù)表明,宇宙確實(shí)始于一種低熵的狀態(tài)。宇宙學(xué)家認(rèn)為,在時(shí)間的開端后的一瞬間,宇宙可能經(jīng)歷了一次快速而劇烈的膨脹,被稱為暴脹。暴脹可能發(fā)生過不止一次,它會(huì)導(dǎo)致無限的多元宇宙的誕生。在多元宇宙中,一些宇宙存在時(shí)間之箭,一些則沒有??梢哉f我們是幸運(yùn)的,因?yàn)橹挥性诖嬖跁r(shí)間之箭的宇宙,才有機(jī)會(huì)演化出生命。


事實(shí)上,就在今年,曾出現(xiàn)一些媒體的“小道消息”說,在南極的科學(xué)家找到了平行宇宙的證據(jù)。這種說法的來源可以追溯到三篇相關(guān)的學(xué)術(shù)論文。最初一篇來自2016年,南極脈沖瞬變天線(ANITA)發(fā)現(xiàn)了奇怪的高能粒子信號(hào),那些粒子并不是由太空自上而下的“掉落”的,而是反向“向上升起”的。

一些科學(xué)家認(rèn)為,觀測的結(jié)果可以為“CPT對(duì)稱鏡像宇宙”提供證據(jù),這個(gè)鏡像的宇宙和我們所在的宇宙完全相反,時(shí)間也是倒退的,因此才會(huì)出現(xiàn)“向上”的高能粒子運(yùn)動(dòng)。后來,還有一篇相關(guān)論文采用了南極“冰立方”中微子天文臺(tái)(IceCube)的證據(jù),認(rèn)為需要考慮其他方向來解釋ANITA的數(shù)據(jù)。

因此,從科學(xué)層面來說,我們真正能得出的結(jié)論其實(shí)只有“‘異?!吣芰W有盘?hào)”,以及“現(xiàn)有的理論無法解釋這次觀測的罕見事件”。而所謂“找到時(shí)間倒流的平行宇宙的證據(jù)”,只是一種過度延伸的解讀。

這種過度解讀或許和人們對(duì)“時(shí)光倒流”的興趣密不可分,這種情況也并非第一次發(fā)生。2019年,莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的研究人員曾發(fā)表論文稱,他們在實(shí)驗(yàn)中將量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)倒流回了幾分之一秒之前,論文作者表示,“這是人為創(chuàng)造的一種狀態(tài),它朝著與熱力學(xué)時(shí)間之箭相反的方向演化”(詳見《科學(xué)家逆轉(zhuǎn)了時(shí)間之箭?》)

但物理學(xué)界并不接受這種說法。一個(gè)形象的比方是,如果將錄像倒放,我們或許能看到蒸汽流回茶壺,這看起來似乎是“時(shí)光倒流”,但時(shí)間其實(shí)并沒有被逆轉(zhuǎn)。批評(píng)者認(rèn)為,研究涉及的技術(shù)的確對(duì)測試量子計(jì)算機(jī)程序有用,但它遠(yuǎn)沒有“時(shí)間機(jī)器”那么吸引眼球。


即使多元宇宙與時(shí)間之箭確有關(guān)聯(lián),仍有許多問題沒有解決。各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家仍在努力尋找著各種可能的解釋。

2009年,一些量子物理學(xué)家提出,時(shí)間之箭也許可以用量子糾纏來解釋。當(dāng)一個(gè)物理系統(tǒng)與周圍環(huán)境發(fā)生糾纏時(shí),它會(huì)向平衡點(diǎn)靠近,這種單向的演化決定了時(shí)間之箭。

直到今天,我們依舊沒能完全回答這個(gè)問題。時(shí)間之箭出現(xiàn)在眾多場景和事件中——進(jìn)化、衰老、記憶、因果……它的背后仍有廣闊的天地等待我們揭示。


參考來源:
彼得·柯文尼,羅杰·海菲爾德,《時(shí)間之箭》,湖南科技出版社,2018年1月
羅杰·彭羅斯,《宇宙的輪回》,湖南科技出版社,2018年1月

https://www./article/mg21128330-500-about-time-why-does-times-arrow-fly-only-one-way/

https://www./article/mg24532770-400-we-may-have-spotted-a-parallel-universe-going-backwards-in-time/

https://www./article/mg23831740-200-quantum-time-is-this-where-the-flow-of-existence-comes-from/

https://www./what-is-time-a-history-of-physics-biology-clocks-and-culture-20200504/

封面圖來源:Pixabay

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