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引用 时间是幻觉?  

2010-07-19 15:43:25|  分类: 科学学习 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自科学美国人《时间是幻觉?》

 

引用

科学美国人时间是幻觉?
 
有关时间和改变的观念,或许是从一个根本上完全静态的宇宙中涌现出来的。

 

▲静态中 的动态:基思·彼得斯(Keith Peters)用这幅画探讨了这样一个想法:本质上静态的世界依然可以使人感觉到动态。

 

 


时间幻觉

● 时间已成为物理学中非常热门的一个课题。对大统一理论的追寻正迫使物理学家重新审视一些非常基本的假设,几乎没有什么东西会比时间更加基本。

● 一些物理学家主张,根本不存在时间这种东西。其他一些则认为,时间应该被“升级”,而不是“降级”。介于这两种极端观点之间的,是这样一个诱人的想法:时间存在,但并不基本。一个静态的世界通过某种方式产生了我们所感知的时间。

● 哲学家在苏格拉底时代之前就开始争论这样的想法,但物理学家现在才使这些想法变得更加具体。根据其中一个想法,时间或许产生于宇宙被拆分成零碎的方式,我们感受到的时间则反映了这些零碎之间的关联。



     在时间幻觉读这句话的时候,你大概会认为此时此刻——也就是“现在”——正在发生。“现在”给人的感觉很特别,只有它才是“现实”的。不论你如何留恋过去,如何憧憬未来,都只能生活在“现在”。当然,你读那句话的时刻已经不是“现在”了。这句才是。换句话说,时间给人的感觉是在不断流淌,因为“现在”总是一刻不停地“刷新”着自己。我们有一种深入骨髓的直觉,认为“未来”尚未确定,而“过去”不可更改。随着时间的流淌,这列由不可更改的“过去”、转瞬即逝的“现在”和尚未确定的“未来”构成的“列车”不断前行。这一时间观念植根于我们的语言、思维和行为当中,我们的生活方式全都有赖于此。

    尽管这种思维方式非常自然,我们却找不到任何科学依据支持这一观念。物理学方程并没有告诉我们哪些事件是“现在”正在
发生的——那些方程就像一张地图,却没有“你在此处”的标签。“现在”并不存在于物理学方程之中,时间的流淌也是如此。另外,爱因斯坦的相对论指出,一个特殊的“现在”根本就不存在,所有时刻都是平等的,都同等“现实”。从根本上说,“未来”的尚未确定之处并不比“过去”更多。时间的科学理解和日常感受之间的这道裂缝,困扰着一代又一代思想家。随着物理学家将我们通常归结为时间的大多数特征一条一条从时间中剥离出来,这道裂缝已被拉得越来越大。如今,物理学里的时间和我们感受到的时间之间已经横亘着一条鸿沟,一个合乎逻辑的结论呼之欲出——理论物理学界有许多人开始相信,时间根本就不存在。

    一个不存在时间的现实世界,这个概念乍听起来令人大吃一惊,因为很难想象它如何能够自圆其说。我们所做的每一件事,都是在时间中做到的。这个世界就是一系列事件通过时间串连而成的链条。任何人都能看到人的头发在逐渐变白,各种物体在到处移动……我们能看见种种改变,而改变正是某些属性相对于时间而发生的变化。没有了时间,世界就应该完全静止。主张时间不存在的理论面临的一大挑战就是:如果这个世界实际上并没有在发生变化,我们又如何能够看到改变?

    最新研究试图要解释的,正是这一点。尽管时间在基本层面上或许并不存在,但它可以在更高层面上产生出来——就像桌子触摸起来是坚硬的一样,哪怕它本质上只是一大堆内部几乎空无一物的粒子。“坚硬”是粒子的一个整体属性(collectiveproperty),或者说是演生属性(emergent property,即那些高层次具有而还原到低层次就不复存在的属性)。同样,不管构成这个世界的基本成分是什么,时间也有可能是它们的一个演生属性。

     演生时间的概念很有可能带来一场革命,就像一个世纪以前发展起来的相对论和量子力学一样。爱因斯坦说过,发展出相对论的关键一步就是他对时间的概念重建。在追随爱因斯坦的梦想——统一相对论和量子力学的过程中,物理学家相信时间又一次成为了问题的关键。2008年,基本问题研究所(Foundational Questions Institute,缩写为FQXi)以“时间的本质”为题,举办了一场论文竞赛,吸引了现代物理学界一批响当当的大牛参与。他们中有许多人坚信,大统一理论描绘的将是一个不存在时间的世界;另一些人则不愿意除掉时间。不过,有一点是所有人都认同的:不对时间进行更深刻思考的话,在大统一道路上想要取得进展多半是不可能的。


▲关系构成的世界:时间本身或许并不独立存在,而是作为描述物体之间相互关联的一种方式出现的。这个想法触发了基思·彼得斯的绘画灵感,把一组组线条彼此圈套起来。

 

    时间的起起落落

    牛顿的时间超然于万物之外,拥有许多符合常理的特征,却在爱因斯坦的攻击之下支离破碎。

    与诸多常识相符的传统时间观念,长期以来受到一系列降级的打击。时间在物理学中承担过许多工作,但随着物理学的逐步发展,这些工作已经一项接一项被“外包”出去了。

    尽管初看起来或许并不明显,但牛顿运动定律要求时间拥有许多特殊性质。事件发生的先后次序,原则上能被所有观测者认同。经典物理学假定,不论某一事件发生在何时何地,你都可以客观地说出它发生在宇宙中任意一个其他事件之前、之后,还是同时。因此,时间为世界上的所有事件提供了一份完整的先后次序。“同时” 是绝对的,是一个与观测者无关的事实。不仅如此,时间还必须是连贯的,这样我们才能定义速度和加速度。

    经典的时间还必须有一个衡量时间持续长短的概念,物理学家称之为度规(metric),这样我们才能说清不同的事件彼此在时间上相差多远。比方说,奥运会百米短跑冠军乌塞恩·博尔特(Usain Bolt)最快可以跑出12米 /秒的速度,但要使用这样的表述方式,我们必须有一个度规来标明一秒钟有多长。就像事件的先后次序一样,持续时间也与观测者无关。如果张三和李四都在 3点钟离开学校,各走各的,6点钟在家碰头,那么不论是对张三还是李四来说,这段时间持续的长短都相等。

    从本质上来讲,牛顿提出,这个世界生来就配备了一个地位超然的母钟。母钟以独一无二的方式,客观地将世界分割成时间的一个个瞬间。牛顿物理学只遵从母钟嘀嗒作响的脚步,无视其他时钟。此外,牛顿还觉得时间在流淌,这种流淌给我们提供了一个箭头,告诉我们哪个方向才是未来——不过严格说来,他的定律并不要求时间非得具有这些额外特征不可。

    在今天的我们看来,牛顿的时间观念或许有些老土,不过只要稍加思索,我们就会为之惊叹。它的许多特征——次序、连贯、持续、同时、流淌,还有箭头,在逻辑上都可以彼此拆分,然而它们又都有机结合在一起,构成了牛顿称之为“时间”的母钟。这些特征的这种组合方式大获成功,以至于它被原封不动地传承了近两个世纪之久。

     直到 19世纪末 20世纪初,对这一时间观念的攻击才拉开序幕。打出第一拳的是奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)。当时他推论说,不论时间是正向还是反向流淌,牛顿定律都同样适用,因此时间本身并没有内置一个箭头。相反,他提出,“过去”和“未来”的差别并不是时间所固有的,而是由宇宙中物质组织过程的不对称引起的。尽管物理学家至今仍在为这一提议的细节问题争论不休(参见《环球科学》2008年第 7期《时间箭头的宇宙起源》一文),玻尔 兹曼还是令人信服地从牛顿时间中剔除了一个特征。

    第二轮攻击则是由爱因斯坦发动的,他废除了绝对同时的概念。根据他的狭义相对论,事件是否发生在同一时刻,取决于你的速度有多快。发生事件的真正“舞台” 既不是时间,也不是空间,而是它们的结合——时空(spacetime)。以不同速度运动的两个观测者对同一事件发生在何时何地会有不同的看法,但对于事件所处的时空位置,他们能够达成共识。时间和空间都不是基本概念,用爱因斯坦当年的大学教授、数学家赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann Minkowski)的话来说,它们“注定要消散在纯粹的阴影之中”。

    到了 1915年,爱因斯坦发表广义相对论,将狭义相对论扩展到了存在引力的环境中,传统时间的处境就更窘迫了。引力可以扭曲时间,因此这里流逝的一秒钟和那里流逝的一秒钟并不是一回事儿。哪怕是在理论上,同步时钟并让它们保持同步也只有在极少数情况下才有可能做到。你不能再想当然地以为,仅仅依据一个时间参数就能把这个世界一秒一秒地区分开来。在极端情况下,这个世界或许完全不可能分割成时间的一个个瞬间。如此一来,想要说某一事件发生在另一事件之前或之后也变得不可能了。

    广义相对论中有许多名字里带有“时”字的函数,比如坐标时(coordinate time)、原时(proper time)和全局时(global time)。它们共同承担起了牛顿“时间”所做的许多工作,但它们之中似乎没有哪个能够担当得起“时间”二字。物理学并不听从这些时钟的指挥,就算听从,这些时钟也只对宇宙中的一小块区域有效,或者只对某些特定的观测者有用。尽管物理学家直到今天才开始为大统一理论必须要消灭“时间”而犯愁,但我们有理由说,“时间”早在 1915年就已经丢失,只是我们一直没有充分正视这一点罢了。

 

 



本文作者:


    克雷格· 卡伦德是美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的哲学教授。从当年的博士论文解释时间箭头开始,他就一直在探索时间的哲学和物理,在物理学和哲学期刊上发表了大量论文,还编辑出版过有关量子引力和时间的图书。他为《引进时间》 (Introducing Time)一书写过插图说明,还在撰写一本关于时间的哲学、物理学及认知科学的书,题为《时间:由内而外》
(Time: From the Inside Out )。他向我们保证,他对时间的毕生兴趣与他的姓氏无关(卡伦德英文为Callender,与英文中的日历Calendar 非常相像)。

 

本文译者

    虞骏博士,《环球科学》资深编辑,曾经在中国科学技术大学和南京紫金山天文台研究宇宙学及大尺度结构,现在则热衷于通过微博(http://t.sina.com.cn/steedjoy),将宇宙里发生的新鲜事儿分享给大家。

 

本文审校

    黄庆国博士,现为中国科学院理论物理研究所副研究员,主要从事宇宙学和量子引力方面的研究。

 

本文选自《环球科学》2010年第7期 《时间是幻觉?》


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