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時間是幻覺么？ （轉自權威科普雜志《環(huán)球科學》） 已有5人參與
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有關時間和改變的觀念，或許是從一個根本上完全靜態(tài)的宇宙中涌現出來的。沒有了時間，世界就應該完全靜止。主張時間不存在的理論面臨的一大挑戰(zhàn)就是：如果這個世界實際上并沒有在發(fā)生變化，我們又如何能夠看到改變？ ● 時間已成為物理學中非常熱門的一個課題。對大統(tǒng)一理論的追尋正迫使物理學家重新審視一些非�；镜募僭O，幾乎沒有什么東西會比時間更加基本。 ● 一些物理學家主張，根本不存在時間這種東西。其他一些則認為，時間應該被“升級”，而不是“降級”。介于這兩種極端觀點之間的，是這樣一個誘人的想法： 時間存在，但并不基本。一個靜態(tài)的世界通過某種方式產生了我們所感知的時間。 ● 哲學家在蘇格拉底時代之前就開始爭論這樣的想法，但物理學家現在才使這些想法變得更加具體。根據其中一個想法，時間或許產生于宇宙被拆分成零碎的方式， 我們感受到的時間則反映了這些零碎之間的關聯。 在時間幻覺讀這句話的時候，你大概會認為此時此刻——也就是“現在”——正在發(fā)生�！艾F在”給人的感覺很特別，只有它才是“現實”的。不論你如何留戀過去，如何憧憬未來，都只能生活在“現在”。當然，你讀那句話的時刻已經不是“現在”了。這句才是。換句話說，時間給人的感覺是在不斷流淌，因為“現在”總是一刻不停地“刷新”著自己。我們有一種深入骨髓的直覺，認為“未來”尚未確定，而“過去”不可更改。隨著時間的流淌，這列由不可更改的“過去”、轉瞬即逝的“現在”和尚未確定的“未來”構成的“列車”不斷前行。這一時間觀念植根于我們的語言、思維和行為當中，我們的生活方式全都有賴于此。 盡管這種思維方式非常自然，我們卻找不到任何科學依據支持這一觀念。物理學方程并沒有告訴我們哪些事件是“現在”正在 發(fā)生的——那些方程就像一張地圖，卻沒有“你在此處”的標簽�！艾F在”并不存在于物理學方程之中，時間的流淌也是如此。另外，愛因斯坦的相對論指出，一個特殊的“現在”根本就不存在，所有時刻都是平等的，都同等“現實”。從根本上說，“未來”的尚未確定之處并不比“過去”更多。時間的科學理解和日常感受之間的這道裂縫，困擾著一代又一代思想家。隨著物理學家將我們通常歸結為時間的大多數特征一條一條從時間中剝離出來，這道裂縫已被拉得越來越大。如今，物理學里的時間和我們感受到的時間之間已經橫亙著一條鴻溝，一個合乎邏輯的結論呼之欲出——理論物理學界有許多人開始相信，時間根本就不存在。 一個不存在時間的現實世界，這個概念乍聽起來令人大吃一驚，因為很難想象它如何能夠自圓其說。我們所做的每一件事，都是在時間中做到的。這個世界就是一系列事件通過時間串連而成的鏈條。任何人都能看到人的頭發(fā)在逐漸變白，各種物體在到處移動……我們能看見種種改變，而改變正是某些屬性相對于時間而發(fā)生的變化。沒有了時間，世界就應該完全靜止。主張時間不存在的理論面臨的一大挑戰(zhàn)就是：如果這個世界實際上并沒有在發(fā)生變化，我們又如何能夠看到改變？ 最新研究試圖要解釋的，正是這一點。盡管時間在基本層面上或許并不存在，但它可以在更高層面上產生出來——就像桌子觸摸起來是堅硬的一樣，哪怕它本質上只是一大堆內部幾乎空無一物的粒子�！皥杂病笔橇Ｗ拥囊粋�整體屬性（collectiveproperty），或者說是演生屬性（emergent property，即那些高層次具有而還原到低層次就不復存在的屬性）。同樣，不管構成這個世界的基本成分是什么，時間也有可能是它們的一個演生屬性。 演生時間的概念很有可能帶來一場**，就像一個世紀以前發(fā)展起來的相對論和量子力學一樣。愛因斯坦說過，發(fā)展出相對論的關鍵一步就是他對時間的概念重建。在追隨愛因斯坦的夢想——統(tǒng)一相對論和量子力學的過程中，物理學家相信時間又一次成為了問題的關鍵。2008年，基本問題研究所（Foundational Questions Institute，縮寫為FQXi）以“時間的本質”為題，舉辦了一場論文競賽，吸引了現代物理學界一批響當當的大牛參與。他們中有許多人堅信，大統(tǒng)一理論描繪的將是一個不存在時間的世界；另一些人則不愿意除掉時間。不過，有一點是所有人都認同的：不對時間進行更深刻思考的話，在大統(tǒng)一道路上想要取得進展多半是不可能的。 與諸多常識相符的傳統(tǒng)時間觀念，長期以來受到一系列降級的打擊。時間在物理學中承擔過許多工作，但隨著物理學的逐步發(fā)展，這些工作已經一項接一項被“外包”出去了。 盡管初看起來或許并不明顯，但牛頓運動定律要求時間擁有許多特殊性質。事件發(fā)生的先后次序，原則上能被所有觀測者認同。經典物理學假定，不論某一事件發(fā)生在何時何地，你都可以客觀地說出它發(fā)生在宇宙中任意一個其他事件之前、之后，還是同時。因此，時間為世界上的所有事件提供了一份完整的先后次序。“同時”是絕對的，是一個與觀測者無關的事實。不僅如此，時間還必須是連貫的，這樣我們才能定義速度和加速度。 經典的時間還必須有一個衡量時間持續(xù)長短的概念，物理學家稱之為度規(guī)（metric），這樣我們才能說清不同的事件彼此在時間上相差多遠。比方說，奧運會百米短跑冠軍烏塞恩·博爾特（Usain Bolt）最快可以跑出12米 /秒的速度，但要使用這樣的表述方式，我們必須有一個度規(guī)來標明一秒鐘有多長。就像事件的先后次序一樣，持續(xù)時間也與觀測者無關。如果張三和李四都在 3點鐘離開學校，各走各的，6點鐘在家碰頭，那么不論是對張三還是李四來說，這段時間持續(xù)的長短都相等。 從本質上來講，牛頓提出，這個世界生來就配備了一個地位超然的母鐘。母鐘以獨一無二的方式，客觀地將世界分割成時間的一個個瞬間。牛頓物理學只遵從母鐘嘀嗒作響的腳步，無視其他時鐘。此外，牛頓還覺得時間在流淌，這種流淌給我們提供了一個箭頭，告訴我們哪個方向才是未來——不過嚴格說來，他的定律并不要求時間非得具有這些額外特征不可。 在今天的我們看來，牛頓的時間觀念或許有些老土，不過只要稍加思索，我們就會為之驚嘆。它的許多特征——次序、連貫、持續(xù)、同時、流淌，還有箭頭，在邏輯上都可以彼此拆分，然而它們又都有機結合在一起，構成了牛頓稱之為“時間”的母鐘。這些特征的這種組合方式大獲成功，以至于它被原封不動地傳承了近兩個世紀之久。 直到 19世紀末 20世紀初，對這一時間觀念的攻擊才拉開序幕。打出第一拳的是奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）。當時他推論說，不論時間是正向還是反向流淌，牛頓定律都同樣適用，因此時間本身并沒有內置一個箭頭。相反，他提出，“過去”和“未來”的差別并不是時間所固有的，而是由宇宙中物質組織過程的不對稱引起的。盡管物理學家至今仍在為這一提議的細節(jié)問題爭論不休 （參見《環(huán)球科學》2008年第 7期《時間箭頭的宇宙起源》一文），玻爾茲曼還是令人信服地從牛頓時間中剔除了一個特征。 第二輪攻擊則是由愛因斯坦發(fā)動的，他廢除了絕對同時的概念。根據他的狹義相對論，事件是否發(fā)生在同一時刻，取決于你的速度有多快。發(fā)生事件的真正“舞臺”既不是時間，也不是空間，而是它們的結合——時空（spacetime）。以不同速度運動的兩個觀測者對同一事件發(fā)生在何時何地會有不同的看法，但對于事件所處的時空位置，他們能夠達成共識。時間和空間都不是基本概念，用愛因斯坦當年的大學教授、數學家赫爾曼·閔可夫斯基（Hermann Minkowski）的話來說，它們“注定要消散在純粹的陰影之中”。 到了 1915年，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，將狹義相對論擴展到了存在引力的環(huán)境中，傳統(tǒng)時間的處境就更窘迫了。引力可以扭曲時間，因此這里流逝的一秒鐘和那里流逝的一秒鐘并不是一回事兒。哪怕是在理論上，同步時鐘并讓它們保持同步也只有在極少數情況下才有可能做到。你不能再想當然地以為，僅僅依據一個時間參數就能把這個世界一秒一秒地區(qū)分開來。在極端情況下，這個世界或許完全不可能分割成時間的一個個瞬間。如此一來，想要說某一事件發(fā)生在另一事件之前或之后也變得不可能了。 廣義相對論中有許多名字里帶有“時”字的函數，比如坐標時（coordinate time）、原時（proper time）和全局時（global time）。它們共同承擔起了牛頓“時間”所做的許多工作，但它們之中似乎沒有哪個能夠擔當得起“時間”二字。物理學并不聽從這些時鐘的指揮，就算聽從，這些時鐘也只對宇宙中的一小塊區(qū)域有效，或者只對某些特定的觀測者有用。盡管物理學家直到今天才開始為大統(tǒng)一理論必須要消滅“時間”而犯愁，但我們有理由說，“時間”早在 1915年就已經丟失，只是我們一直沒有充分正視這一點罷了。 本文譯者虞駿博士，《環(huán)球科學》資深編輯，曾經在中國科學技術大學和南京紫金山天文臺研究宇宙學及大尺度結構。 本文審校黃慶國博士，現為中國科學院理論物理研究所副研究員，主要從事宇宙學和量子引力方面的研究。 |
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