【原】202008:宇宙洪荒--《時間的秩序》

伊卡洛斯之翼 2022-01-13

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序

今天是4月23日，世界讀書日。為此，連夜寫上一份讀書筆記，好蹭熱度。然而，當本文發(fā)出的時候，估計日歷已經翻頁了。作者卡洛·羅韋利是一位理論物理學學家，4年前，我看過他的小書《七堂極簡物理課》，被作者詩意的文筆深深的折服了，第一次看到原來理論物理可以講得如此的下里巴人。

翻開16年7月25日寫下的讀書筆記（《七堂極簡物理課》），恍然發(fā)現(xiàn)這本小書對自己的影響巨大，讓我重新拿起科普書籍，堅定學習非線性科學的信心。畢竟喜歡《五十度灰》的我，非常想看看是什么原因《七堂極簡物理課》擊敗了《五十度灰》，拿了書籍熱銷榜的第一。

時間是一種錯覺--《時間的秩序》

我想了很久，這本述說時間本質的書，讀書筆記應該起什么名字，后來還是用了《千字文》的前兩句，“天地玄黃，宇宙洪荒”。四方上下謂之宇，往來古今謂之宙，而洪荒表示天地未開的混沌狀態(tài)。

這本小書講述的就是宇宙一直洪荒，以前是，現(xiàn)在是，未來也是。是的，從物理學來看，沒有時間這個概念，這是一個反常識的概念。然而一些看似不證自明的事，實際上僅僅是人類的偏見。

讓我們從大家熟知的《相對論》開始，因為愛因斯坦是第一位指出世界本來沒有時間概念的科學家。由于相對論原理，時間的流逝在山上要比海平面快，所以在海拔1000多米的我，一定比廣州的朋友老得快。

失去統(tǒng)一性，不同地方時間過得不一樣

蘋果砸出了牛頓萬有引力的假象，而愛因斯坦進一步的指出，是引力讓我們感受到了時間的存在：

對時間結構的改造進而影響了物體的運動，使得它們“落”向彼此。
物體會使它周圍的時間變慢,這就是在海平面高度居住的人衰老得慢一些的原因。
物體下落就是由于這一時間的延緩。在時間流逝一致的地方，比如星際空間，物體不會下落，它們會浮在空間中。而在我們的星球表面，物體會自然傾向于向時間流逝更慢的地方運動。

時間已經丟失了它的第一個方面或者說第一層：其統(tǒng)一性。在不同地方，它有著不同的節(jié)奏，在此處與在彼處的流逝并不相同。

過去與未來的本質區(qū)別-熵

回顧我們學過的物理定律，哪些定律可以區(qū)分過去和現(xiàn)在？

掌管力學世界的牛頓定律不行，描述電與磁的麥克斯韋方程組不行，愛因斯坦相對論的引力方程不行，海森堡、薛定諤、狄拉克的量子力學方程也不行，描述基本粒子的 20 世紀物理學還是不行……這些方程都無法把過去與未來區(qū)別開。如果這些方程允許一系列事件發(fā)生，那么也會允許這一系列事件在時間上的逆過程發(fā)生。

只有克勞修斯的熱力學第二定律可以，“不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化?！?/strong> 在基礎物理學中，這是唯一一個能夠表明過去與未來有所區(qū)別的方程，唯一一個涉及時間流動的方程。在這非同尋常的方程背后，整個世界隱匿其中。

注視著太陽緩緩落下，哥白尼看到了世界在旋轉；凝視一杯水，玻爾茲曼看到原子與分子在劇烈地運動。揭示熵的重要意義的任務，上帝交給了玻爾茲曼，而才華橫溢的天才卻因為世人不理解而結束了自己的生命。

在時間的兩個方向之中，為什么我們稱之為過去的這個，其事物更有序？宇宙這副牌，為什么在過去是更有序的？為什么在過去，熵要更低一些？看作者是怎么說的：

如果一副牌的前二十六張都是紅色的，后二十六張都是黑色的，我們就把這些牌的排列稱為“特殊的”“有序的”。洗牌之后，順序就消失了。最初有序的排列就是“低熵”的排列。但是請注意，如果我們觀察的是牌的顏色——紅或黑，那么它是很特殊的，因為我們正把注意力放在牌的顏色上。如果前二十六張牌都是紅桃和黑桃，那么這種排列也很特殊?；蛘叨际瞧鏀?shù)，或者是這副牌里最褶皺的二十六張，又或者是與三天前完全相同的二十六張牌……或者它們有其他共同點。仔細思考，如果我們觀察其全部細節(jié)的話，每一種排列都是特殊的，每一種排列都是獨一無二的，因為每一種排列都有其獨特的一面。就如同對母親而言，她的孩子都是獨一無二的。
如此看來，只有當我把目光聚焦于牌的特定方面時（在這個例子中是顏色），“某些排列比另一些更特殊”的概念才有意義（比如二十六張紅色的牌，然后是二十六張黑色的牌）。如果我們從各個方面對牌進行區(qū)分，那所有排列就都是等價的：沒有哪個比其他的更特殊。只有當我們以一種模糊與近似的方式看待宇宙的時候，“特殊性”的概念才會出現(xiàn)。
玻爾茲曼說明了熵之所以會存在，是因為我們以一種模糊的方式描述世界。他證明了熵就是我們模糊的視野無法區(qū)分的不同排列的數(shù)量。熱量、熵、過去的低熵都是近似地、統(tǒng)計性地對自然進行描述的概念。
一切與時間流逝有關的現(xiàn)象都被還原為過去的一個“特定”狀態(tài)，而這個狀態(tài)的“特殊性”很可能是由于我們模糊的視野。熵僅僅是我們模糊的視野無法識別的微觀狀態(tài)的數(shù)量。

我對熵這個概念充滿了好奇，自打我在中學第一次接觸這個字，我無數(shù)次的問過我的老師和朋友，可他們都沒有辦法給我一個我認可的答案，雖然他們都無一例外的告訴我怎么計算的。我僅僅是想知道，為什么玻爾茲曼要用這個方法來算，為什么香農思考了很久之后把這個概念放入了信息論。

當我作為一名混沌科學的研究生的時候，我繼續(xù)的問我的導師，為什么要用熵來描述混沌系統(tǒng)，為什么從有序出發(fā)可以進入混沌狀態(tài)，為什么當心電圖處于相空間有序的時候，人就是病態(tài)的甚是生命垂危，為什么正常人的心電圖在相空間是混沌的。我苦苦思考了十多年的問題，在看這本小書的一瞬間找到了答案。

正如玻爾茲曼說的，因為過去是低熵，所以世界是熵增的，有序意味著生命的終結，而只有混沌才表征著生命在活動。

對宇宙的熵而言，也許同樣如此：也許它并沒有處于什么特殊狀態(tài)；也許是我們處于一個特殊的物理系統(tǒng)中，相對于這個系統(tǒng)，宇宙的狀態(tài)才很特殊。用老子道德經的一句話來描述這個道理，“天地不仁，以萬物為芻狗”，非常合適。

其實沒有當下

在搞清楚質量可以延緩時間這件事的十年之前，愛因斯坦就意識到，時間會被速度延緩。就對時間基本的直覺上的感知而言，這個發(fā)現(xiàn)是最具毀滅性的。在此之前，沒人設想過，對于一塊靜止的手表和一塊運動的手表，時間會是不同的。時間長短只與擁有既定軌跡的物體的運動有關。

我們的“當下”不會延伸到整個宇宙，它就像我們周圍的一個氣泡。這個氣泡可以延伸到多遠呢？取決于我們限定時間的精確程度。如果用納秒，“現(xiàn)在”的定義僅有幾米；如果用毫秒，那就有幾千公里。作為人類，我們對幾十分之一秒都很難分辨出來，我們可以把整個星球都看作同一個氣泡，在談及現(xiàn)在時，可以認為對我們而言這是同一個瞬間。這就是我們可以做出的最大限度的近似。

如果有兩個事件分別發(fā)生在地球和比鄰星 b 上，我們問這兩個事件是否發(fā)生在“同一時刻”，正確答案應該是：這個問題沒有意義，因為在宇宙中并不存在可以定義的“相同時刻”?！艾F(xiàn)在的宇宙”是沒有意義的。

一個共同的當下并不存在：時空的時間結構并不是像這樣的分層。

而是完全由光錐組成的結構：

十年之后，他意識到，時間流逝的速度在不同地方是不一樣的。因此時空并沒有上圖勾勒出的那樣有序，而是會被扭曲?，F(xiàn)在看起來更像是這樣：

例如，當引力波經過時，小光錐就會從右向左一起振動，就像風吹過麥穗。

圓錐的結構甚至可以這樣總是朝向未來前進，一個人卻可以回到時空中的同一點，如下圖：

時間不可能同步

在學習操作系統(tǒng)課程的時候，有一個經典的案例就是如何設計系統(tǒng)間系統(tǒng)同步，基本上是沒法做的，因為每次的確認都會有延時，但是具體延時多少難以計算，但是有一點是確定的，那就是必須在不同的操作系統(tǒng)保證事件發(fā)生的時間順序是一致，而不是絕對的時間點。但沒想到，除了計算機是這樣，愛因斯坦說物理世界也是這樣。

亞里士多德在《物理學》中寫道：

如果周圍一團漆黑，身體幾乎什么都感覺不到，但心里有些想法在改變，我們仍然會認為時間在流逝。也就是說，即便是在我們內心里感到時間的流動，也是對一種運動的量度：內在的運動。如果一切都不運動，就沒有時間，因為時間僅僅是運動的記錄。

牛頓的假設則與此完全相反。在他的代表作《自然哲學的數(shù)學原理》一書中，牛頓認為必須存在一種時間：

無論如何都會流逝的“真實的”時間，獨立于事物及其變化。就算所有物體保持不動，甚至我們靈魂的活動都凝滯了，這種時間仍然會流逝——按牛頓的說法——不受任何影響，這就是“真實的”時間。這與亞里士多德的觀點截然相反。

在亞里士多德和牛頓這兩位巨人中，牛頓真的是正確的那個嗎？整合亞里士多德與牛頓的時間觀念是愛因斯坦最有價值的成就，是他思想中最璀璨的珍寶。

答案是，牛頓憑直覺知道的超越有形物質的時間與空間，的確存在，真實不虛。時間與空間是真實的現(xiàn)象，但不是絕對的，它們并不獨立于發(fā)生的事件，也不像牛頓設想的那樣，與世界上的其他物質有所區(qū)別。我們可以想象一大塊牛頓式的帆布，上面畫著這個世界的故事。但這塊帆布與世上的其他東西是由相同材料構成的，與構成石頭、光、空氣的物質并無二致：它們都由場構成。

以我們目前的知識來看，物理學家把構成世界物理實在的物質稱為“場”。有時它們會有些奇異的名字：“狄拉克場”是構成桌子與星體的材料；“電磁場”構成了光，也是使電動機運轉和指南針指北的力的來源。但是，關鍵之處在于，還有一種“引力場”：它是引力的來源，同時也是構成牛頓時空的材料，其余的世界涂畫于其上。鐘表是測量其廣延性的機械，測量長度的尺子則測量其廣延性的另一方面。

那時間是什么？

不存在單一的時間，每個軌跡都有自己的持續(xù)時間；
根據(jù)位置與速度，時間會以不同節(jié)奏流逝；
它是沒有方向的：在世界的基本方程中，過去與未來的區(qū)別并不存在；
方向性只在我們進行觀察并忽略細節(jié)時偶然出現(xiàn)。在這種模糊的視角下，宇宙的過去處于一種奇特的“特定”狀態(tài)。
“當下”的概念不再奏效：在廣袤的宇宙中，沒有我們可以合理地稱為“當下”的東西。
決定時間長度的物理基礎不是一“個區(qū)別于世界其他組成部分的獨立實體，而是動態(tài)場的一個方面。它會跳躍、漲落，只在相互作用時實體化，在最小尺度之下無法被發(fā)現(xiàn)……

那么，這一切之后，時間還剩下什么呢？

你必須扔掉手表，你嘗試理解

這看似能抓住的時間，只不過是指針的運動……

讓我們進入沒有時間的世界。

世界不是實體，而是一個復雜網絡

通過把世界看作事件、過程的集合，我們得以更好地理解與描述世界。這是與相對論兼容的唯一方式。世界并不是物體的集合，而是事件的集合。物體與事件的區(qū)別在于，

物體在時間中持續(xù)存在，而事件的持續(xù)時間有限。

石頭是典型的“物體”，我們可以問它明天在哪里。與此相反，親吻是一個“事件”，問這個吻明天在哪兒是沒有意義的。世界由親吻的網絡構成，而非石頭。

我們不能把物理世界看作由物體或實體組成，這行不通。把世界看作事件網絡才行得通。簡單的事件，以及可以被分解為簡單事件組合的復雜事件:

一場戰(zhàn)爭不是物體，而是一系列事件；一次暴風雪不是物體，而是事件的集合；
山上的一朵云不是物體，而是風吹過山上時空氣中水蒸氣的凝結；
波浪不是物體，而是水的運動，而且形成波浪的水總是不同的；
一個家庭不是物體，而是關系、事件、感受的集合。
一個人呢？當然也不是物體，就像山上的云，它是食物、信息、光、語言等進進出“出的復雜過程……它是社會關系、化學過程、情感交流網絡中的一個結點

動力學系統(tǒng)，就是復雜網絡的一個最基本的表征，而混沌效應，只是復雜網絡的小小的明珠。在這個層面上，我找到自己一直認同的理論是正確的佐證，人生最大的開心莫過于此。

世界為什么會運轉？因為能量嗎？不是！

能量（無論是機械能、化學能、電能還是勢能）都會把自己轉化為熱能，即熱量，它會傳到冷的物體。但要想把它取回來，重新用來讓植物生長，或驅動發(fā)動機，這樣的免費方式并不存在。在這個過程中，能量保持不變，但熵增加了，熵無法回轉。這是熱力學第二定律要求的。

讓世界運轉的不是能源，而是低熵源。沒有低熵，能量會稀釋成相同的熱量，世界會在熱平衡態(tài)中睡去——過去與未來不再有分別，一切都不會發(fā)生。在地球附近，我們有著豐富的低熵源——太陽。太陽對我們而言，是個豐富且持續(xù)不斷的低熵源。我們擁有充足的低熵可以使用，能夠讓動植物成長，讓我們建造汽車與城市，以及思考和寫書。

太陽的低熵來自何處呢？原來，太陽誕生于一個熵更低的狀態(tài)，形成太陽系的原始星云甚至有著更低的熵，如此，一直向過去追溯，直到宇宙最初極低的熵。正是這個熵的增加驅動了宇宙的偉大故事。

在過去，宇宙基本上是一大片氫，氫會結合為氦，氦比氫的熵要高。但這一情況的出現(xiàn)需要開啟一個通道：得有星星燃燒，讓氫燃燒成為氦。什么會使星星燃燒呢？這就需要另一個熵增加的過程——環(huán)行星系的氫云引力造成的收縮。收縮的氫云比分散的氫云具有更高的熵，但氫云太大了，需要數(shù)百萬年才能收縮。只有集中起來以后，它們才能加熱到某個點，引發(fā)核聚變過程。引燃核聚變?yōu)殪氐倪M一步增加打開了大門：氫燃燒為氦。

整部宇宙史都由這種斷斷續(xù)續(xù)的或急劇的熵增組成，既不迅速也不均勻，因為一切會一直陷在低熵的凹地里（木頭、氫云），直到某樣東西把大門打開，讓熵增過程出現(xiàn)。熵增本身也會打開新的大門，由此熵繼續(xù)增加。比如，山里的水壩可以存水，直到它隨著時間推移逐漸損壞，水會再流到山下，使得熵增加。

生物也由類似錯綜復雜的過程組成。光合作用把來自太陽的低熵儲存在植物里，動物則“進食”低熵。（如果我們所需能量勝于低熵的話，那我們就會向撒哈拉的熱量進發(fā)，而不是去吃下一頓飯了。）在每個活的細胞內，化學過程的復雜網絡都是個可以開關大門的結構，低熵可以由此增加。分子的功能是扮演讓過程交織在一起的催化劑，或是反過來阻礙這些過程。每個單獨過程的熵增使得整體能夠運轉。生命就是熵增過程的網絡，這些過程可以作為彼此的催化劑。有時人們會說，生命會產生特別有序的結構，或是在局部熵會減少，這些說法并不正確。生命僅僅是分解與消耗食物低熵的過程，它的結構本身就是無序的，和宇宙其余部分一樣。