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(2010-03-0111:14:08)
时间是什么?物理学家探究其终极理论
 
艾琳·彼芭(ErinBiba)2010-2-26译者:kiwi
 
 
 
艺术家的多元宇宙想像图/贾森·托尔钦斯基(JasonTorchinsky)
 
 
 
 
 
美国圣地亚哥(SANDIEGO)——作为科学家使自己被别人所知的一个方法就是去解决一个真正困难的问题。物理学家肖恩·卡罗尔(SeanCarroll)就是其中之一。他因为尝试去回答一个目前还没有科学家能够真正解释的古老问题,已经有了一点极客圈摇滚明星的感觉;这个问题就是:时间是什么?
 
这里,在美国科学促进会(AmericanAssociationfortheAdvancementofScience)的年会上,他作了关于时间之箭(thearrowoftime)的报告;走廊中的科学家们拦下他,告诉肖恩他们对他的工作有多么感兴趣。
 
2月19日,在美国科学促进会(AAAS)的会场,卡罗尔坐下来向《连线》杂志记者解释他的理论,以及为什么马蒂麦福莱(MartyMcFly,经典时光旅行电影《回到未来》中的角色;驾驶时间机器从1985年回到三十年前的1955年)的冒险在现实世界中永远不会存在,因为时间只能向前走不可能回到过去。
 
 
肖恩·卡罗尔(SeanCarroll)是加州理工大学的一位理论物理学家,他的研究兴趣是宇宙学的理论、场论(fieldtheory)和地心引力(gravitation),他主要研究宇宙的进化。卡罗尔的最新著作《从永恒到现在:探求时间的终极理论》(FromEternitytoHere:TheQuestfortheUltimateTheoryofTime),试图将他的时间和宇宙理论带给物理学家,同样也带给普通大众。
 
 
 
连线:你能从一个外行人的角度解释一下你的时间理论吗?
 
卡罗尔:我正在试着去理解时间是如何工作的。同时这也是一个有很多不同面向的庞大问题,其中有许多方面可追溯到爱因斯坦及其时空理论,以及我们如何使用钟表来测量时间。但是关于时间我感兴趣的一个方面是时间之箭:即过去与未来不同这一事实。我们能记住过去但是我们无法记住未来。这是一个不可逆的过程。就像有些事情的发生,比如你能把一个鸡蛋做成煎蛋,但是你不可能将煎蛋做成最初的鸡蛋。
 
同时可以说是我们只是理解了一小部分。时间之箭是基于奥地利物理学家路德维格·波尔兹曼(LudwigBoltzmann)在1870年代提出的理论。他将他的理论称为熵(entropy)理论。熵是对无序程度的一个度量,而且熵往往是增加的。这是根据热力学第二定律(secondlawofthermodynamics)得到的:即熵随着时间增长,世间万物会变得更加无序。所以,如果你桌上的文件整整齐齐地放着,你离开之后返回,发现桌子上乱成一团你也会不觉得奇怪。如果回来时发现之前本就乱成一团的桌子变得整整齐齐,你将会觉得非常奇怪。这就是熵和时间之箭。熵因为无序程度的增加而增加。
 
所以,波尔兹曼了解这一点并且他解释了熵是如何与时间之箭相关的。不过他的解释还缺少了一块,即为什么熵最初总是处在一个开始向上增长的低水平起点?为什么宇宙中的文件最初总是整整齐齐的?基本上,我们可观测的宇宙是从大约137亿年前的一种精致秩序(异常低的熵)状态中开始的。比方说,宇宙就像一个发条玩具,在137亿年前扭动发条上足了劲,那么最终将逐渐平息下来。但是为什么它一开始总是上足发条的呢?为什么它处于这么奇怪的、低熵的、不寻常的状态?
 
这就是我现在正试图解决的问题。我试着去理解宇宙学(cosmology),为什么大爆炸(theBigBang)理论能够解释宇宙的性质?同时这样思考也是很有趣的:即直接回到我们的厨房,我们如何能够做煎蛋?我们如何能够记住时间的方向?为什么会产生“先前效应”(precedeeffects)?为什么我们出生时年轻并慢慢变老?所有这一切都是因为熵的增加,都是因为有大爆炸。
 
连线:所以大爆炸开启了这一切。但是你推导出在大爆炸之前还存在某种东西。某种东西制造了大爆炸。它们又是什么呢?
 
卡罗尔:如果你在冰箱里发现一个鸡蛋,你不会觉得奇怪。你不会说,“哇,一个低熵形态。它真罕见。”因为你知道宇宙中并不是只有这一个鸡蛋。它是母鸡生下的,它是饲养场的一部分,它是生物圈的一部分,等等。但是对于宇宙,我们无法做这些联想思考。我们无法说出宇宙是其他什么东西的一部分。但是这正是我要表达的。我与现代宇宙学的一系列观点相一致,现代宇宙学说我们观察到的宇宙并非现存的这些,它只是更大的多元宇宙(multiverse)的一部分。大爆炸并不是宇宙的开端。
 
如果这种观点正确的话,那将改变你想提的问题。如果不正确,你的问题将变成“为什么宇宙以低熵状态为开端?”如果它正确,那你的问题将变成“为什么多元宇宙的一部分宇宙要经历一个低熵的阶段?”而且如果真正确的话,你的问题将更容易回答。
 
多元宇宙示意图/肖恩·卡罗尔
连线:在这个多元宇宙理论里,你假设在中间有一个静止的宇宙。从那里开始,一些小宇宙从中脱离,并且向不同的方向(或说时间之箭)延伸。所以这是否意味着处于中间的多元宇宙中不存在时间?
 
卡罗尔:所以这是一个值得刻画的区别。在宇宙的历史中有许多不同的时刻,时间能告诉你哪一个时刻是你正在谈论的。然后就有了时间之箭,它给了我们过程的感觉,向时间流动或移动的感觉。所以这个处于中间的静止的多元宇宙具有作为坐标的时间,但是没有时间之箭。没有相对于过去的未来,每一个时刻都是彼此平等的。
 
连线:所以那是一个我们无法理解无法感知的时间?
 
卡罗尔:我们能够测量它,但是你无法感觉到它。你将不可能体验到它。因为像我们一样的客体将无法在那个环境中存在。因为我们依赖时间之箭正是为了我们的存在。
 
连线:那么,在那个宇宙中的时间又是什么呢?
 
卡罗尔:即便是在真空的宇宙里,时间和空间仍然存在。物理学家回答这样的问题是完全不成问题的:即“如果一棵树倒在树林里并且那里没有人听见声音,那么树倒下发出声音了吗?”他们回答说,“有!当然发出声音了!”同样地,如果时间在没有熵的情况下流逝并且没有人在那个宇宙里体验到它,那里仍然还存在时间吗?是的,仍然存在时间。这依然是自然基本定律的一部分,甚至是关于宇宙的基本定律的一部分。这正是没有因果性,没有记忆,没有进程,没有年龄老化或新陈代谢或像这样的任何事物的空宇宙里发生的事情。那是一个任意的波动。
 
连线:如果这个处于中间的宇宙只是在那里,而什么也没有发生;那么具有时间之箭的这些小宇宙究竟如何从中间的多元宇宙中脱离呢?因为这似乎是一个可衡量的事件。
 
卡罗尔:完全正确。这是一个很好的观点。而答案就是,那里几乎什么也没发生。所以我试图建立的观点的重点就是“为什么我们看见我们身边的宇宙时刻在变化?”这个问题的答案就是宇宙不可能真正永远保持静止。宇宙不可能存在这样一个状态,即永远停留在那里的状态。如果存在,我们就应当居住在那个状态里并且永远呆在那里。
 
具有时间之箭的小宇宙从中间的多元宇宙上脱离就像一个球从山上滚下来,但是山下没有尽头。这个球始终在过去与未来之间滚动。于是,处于中间部分的多元宇宙在原地保持静止——那个中间的小区域似乎什么也没发生。但是,根据量子力学(quantummechanics),事件能够偶然地发生。中间的宇宙也可能从任意的波动转变成存在。这种改变发生的可能性还是存在的。
 
所以,我认为宇宙类似于原子核(atomicnucleus)。它不是完全稳定的,而是有一个半衰期(half-life),它将按半衰期进行衰变。如果你看着它,它看起来绝对稳定,没有任何事情发生;看着看着,然后嘣地一声发生衰变。突然有一个阿尔法粒子(alphaparticle)从原子核里出来,而从中间的多元宇宙里出来的是具有时间之箭的小宇宙。
 
连线:那些新产生的、沿着时间之箭前进的不同小宇宙里,存在物理定律不同的地方,比如时空异常。那么时间之箭在那些地方还仍然存在吗?
 
卡罗尔:这可能。关于时间之箭奇怪的事情是在物理学的基本定律中并没有发现它,它不在那里。于是时间之箭只是我们能看见的宇宙的属性,而不是某个不同粒子的定律的属性。所以说,时间之箭建立在任何适用当地物理定律的地方。
 
连线:如果时间之箭是基于我们的意识和感知它的能力,那么像你这样更充分地理解它的人与我们其他人相比是否有不同的时间体验?
 
卡罗尔:事实上不是。它工作的方式是知觉先产生,然后才是对它的理解。所以理解并不会改变先前的知觉,理解只是帮助你将知觉放进更广泛的背景中。我的书里有一句圣奥古斯汀()的名言,他说的大意是这样的,“直到你问我时间的定义,我才知道时间是什么,不过我无法给你答案。”所以我认为我们所有人知觉时间推移的方式非常类似。然后试图去理解它并不会改变我们的知觉。
 
连线:那么在像黑洞(blackhole)或者高速运动以致我们对它们的知觉已经改变的地方,那里的时间之箭发生了什么呢?
 
卡罗尔:这就回到了爱因斯坦的相对论。对任何一个在时空中移动的人而言,他们自身以及他们带在身上的时钟——包括他们的生物钟(biologicalclock),比如心脏和心理认知——没有任何一个会感觉时间走得快一点或者慢一点。或者,无论如何,如果你身上带着精确的时钟,你的时钟将始终每秒钟走动一下(不快不慢)。无论你是在黑洞里,现在在地球上,还是在那个处于中间的什么也没发生的多元宇宙,都没关系,都会是这样。但是爱因斯坦告诉我们的是你通过空间和时间的途径能够戏剧性地影响你感觉在流逝的时间。
 
时间之箭是关于方向的,而不是关于速度的。一个重要的事实是有一个一致的方向(速度则不一致)。在时空中的任何地方,都是过去和未来这一方向。
 
连线:所以你将告诉迈克尔·福克斯(,加拿大男演员,主演《回到未来》电影三部曲),回到过去去拯救他的家人是不可能的?
 
卡罗尔:走出时光旅行的迷雾最简单的方式是宣布那不可能做到。这很可能是正确答案。然而,我们仍然不能确信。我们无法绝对地证明这不可能发生。
 
连线:至少,你不可能回到过去。
 
卡罗尔:嗯,回不去。你可以很容易进入未来,这是没有问题的。
 
连线:我们现在就正在朝未来走去!
 
卡罗尔:昨天,我向未来(现在这个时刻)走去。
 
我在我的书中指出的一点是如果我们想象回到过去是可能的,假设,回到了过去,将会引起的所有矛盾都最终追溯到一个事实,即如果你能够回到过去你将无法定义一个方向一致的时间之箭。因为那时你认为是未来(你已经经历过)的时刻在宇宙的“过去”里。所以不可能有一个时刻在任何地方都相同。同时这也与物理定律不相符,而且更与我们的日常经验不相符;日常生活中我们能够作出抉择来影响未来,但是我们无法作出抉择来影响过去。