新闻快报:时间可能并不存在

——它去往何处?这个问题就更不用提了……

Newsflash: Time May Not Exist

Not to mention the question of which way it goes...

 

作者:提姆·福尔杰

By Tim Folger

 

 

 

作者介绍:

提姆·福尔杰是一位美国科学与自然撰稿人。他是《发现》杂志的特约编辑,并为其它数家杂志撰写科学类文章。自2002年以来,福尔杰一直担任《美国最佳科学与自然作品》年选的丛书编辑,并于2007年荣获美国物理科学协会写作奖。

 

 

测量时间,没人比得上费伦科·克劳茨。在德国加兴马普量子研究所的实验室里,他测出了人类迄今为止观察到的最短时间间隔。他还使用紫外激光脉冲监测——原子中电子极其短暂的量子跃迁。他探测到的事件持续了约100阿秒,或10-16秒(即10的16次方分之一秒;1阿秒=10-18秒)。为了看得更清楚,想象将100阿秒当作一秒,那么,一秒钟就相当于三亿年。

 

但即使是克劳茨的研究,也远远没有触摸到时间的最小尺度。有一个称为“普朗克尺度”的时间界限,与其相比,阿秒也漫长如劫。它标志着已知物理学的边缘。在这一界限内,空间距离和时间间隔如此之短,以至于时间和空间的概念都开始站不住脚。普朗克时间为10-43秒(即10的43次方分之一秒)——这是有物理意义的最小时间单位,比一阿秒的万亿分之一的万亿分之一还要短。再短下去是什么?——时间已无从寻觅。至少目前是这样。

 

为了理解短于普朗克尺度的时间所做的诸多努力,引出了物理学上一个十分奇怪的分界线。简而言之,这个问题就是:在物理实在最基本的层次,时间可能不存在。如果这样,那么时间是什么?为什么在我们自身的体验中,它又是如此明明白白且霸气十足地无所不在?“在当代物理学中,时间的含义是一个极难说得清的问题。”牛津大学一位物理学哲学家西蒙·桑德斯说道:“情况如此尴尬,以至于上上策就是自称为不可知论者。”

 

时间的难题在一个世纪以前就产生了。当时爱因斯坦的广义和狭义相对论摧毁了“把时间作为一个普适(即与参考系无关)不变量”的观念。其后果之一就是,过去、现在和未来不再是绝对的。爱因斯坦的理论也在物理学上撕开了一个裂口,因为广义相对论(描述引力和宇宙大尺度结构)的定律和量子物理学(支配微观领域)的定律看起来不相容。大约四十多年前,当时在普林斯顿大学的著名物理学家约翰·惠勒和在北卡洛莱那大学的布莱斯·德维特(现已故)共同推出了一个非比寻常的方程式,为统一相对论和量子力学提供了可能的框架。但是惠勒-德维特方程式一直颇受争议,其部分原因在于,在我们对时间的认识上,它又添加了一个更令人困惑的难解之处。

 

“我们发现时间从惠勒-德维特方程式中消失了。”法国马赛地中海大学的物理学家卡洛·罗威利说:“它是众多理论家们一直困惑的问题。这可能是,思考量子实在的最佳方式就是——放弃时间的概念。也就是说对宇宙的基本描述必须不涉及时间。”

 

迄今无人能成功使用惠勒-德维特方程式来整合量子理论和广义相对论。尽管如此,仍有占相当比例的少数物理学家相信(包括罗威利),一个能成功整合20世纪这两大物理杰作的理论,所描绘的必定是一个在究竟上不存在时间的宇宙。

 

 

时间或许不存在,这一可能性是物理学家们熟知的“时间难题”。它也许是最大的,但却远非唯一的时间谜题。屈居第二的是以下这一奇怪事实:物理学定律没有解释,为什么时间总是指向未来。所有的定律——无论是牛顿、爱因斯坦还是匪夷所思的量子定律,如果时间倒流,也同样成立。就我们已知的范围,时间是单向的过程;虽然没有法则去限制它,但它从不倒流。

 

麻省理工量子力学工程师赛斯·劳埃德说:“为什么我们有这么明确的单向时间之矢的概念,这相当神奇。”比如:当我问他现在是几点钟时,他总是回答“真让你问住了,行了吧?”。对此通常的解释是:“为了说明一个系统发生的情况,你不但需要确定它所遵循的物理定律,而且还要给出初始或终止的条件。”

 

时间不是脱离宇宙而存在的某个东西。宇宙之外没有钟表的滴答声。我们大多数人对时间的看法往往和牛顿一样:“绝对、真正和数学般的时间,自行地、以自具之本性,均匀地流动着,不管其外发生了什么。”但是正如爱因斯坦已证明的内容,时间是宇宙结构的一部分。和牛顿的信念相反,我们普通的钟表所测量的,并不是与宇宙无关的某种东西。劳埃德说,事实上,钟表根本不能测量时间。

 

“最近我去了博尔德的国家标准与技术研究所(注:这个研究所是一个政府实验室,是校验全国时间的原子钟所在地。)。”劳埃德说: “我说了‘你们的钟测量时间好准’之类的话。他们告诉我‘我们的钟不测量时间’。我心想,哇,这些家伙真谦虚。但是他们说‘不是,是时间被规定为是我们的钟所测量的东西。’还真的是这样。他们规定了全世界时间的标准:时间被规定为是他们的钟咔哒作响的次数。”

 

无时间宇宙理论的倡导者罗威利说过,国家标准与技术研究所的计时人员没有搞错。而且他们的观点与惠勒-德维特方程式一致。“我们从未真正看到时间。”他说:“我们看到的只是钟表。如果你说某个对象在(随着时间)移动,你真正说的是:当你的表针走到这儿,这个对象也相应走到了某某位置,诸如此类等等。我们说我们用钟表测量时间,但是我们看到的只是钟表指针的位置,不是时间本身。和其他物理量一样,钟表指针的位置也是一个物理量。所以在某种意义上,我们是在欺骗,因为我们真正观测的,是一个物理量和另一个物理量之间的对应关系,或称为函数关系,但是我们将一切事情表述成好像是在时间里展开的。”

 

惠勒-德维特方程式中所发生的事情就是,我们必须停止再玩这种游戏。我们不再引进时间这一自身都无法观察的人造变量,替代这一做法的是,我们应该只去描述变量彼此之间的关系。这里的问题是,时间是现实的一个基本属性,或者仅仅是事物的宏观表象?我会说,它只是一个宏观效应。它是个只在大尺度事物上才能出现的东西。”

 

罗威利说的“大尺度事物”,是指任何远远大于神秘的普朗克尺度的东西。目前,尚没有一种物理学理论,能够完整地描述低于普朗克尺度的世界是什么样子。有一种可能性是,如果物理学家能想出办法,把量子理论和广义相对论统一起来,空间和时间将会由量子力学的某种修订版本来描述。在这样的理论中,空间和时间不再是光滑和连续的。相反,它们将由不连续的碎片(物理学行话称为量子)组成,就像光是由一个个被称为光子的单独能量束组成的一样。这些东西将是空间和时间的基本构筑单元。想象空间和时间由别的东西组成并非易事。如果空间和时间的构筑单元不存在于空间和时间之中,那么它们存在于何处呢?

 

如罗威利解释的,在量子力学中,一切物质具有各种能量的粒子,也同样可以描述为“波”。波有一种不同寻常的性质:无限数量的波可以存在于同一位置。如果有朝一日时间和空间被证明是由量子组成,这些量子可以以全部堆叠在一起的形式存在于一个零维的点。“在这种图像中,空间和时间在某种意义上消融了。”罗威利说:“空间已不复存在。剩下的只有量子一族,它们一个堆叠于另一个之上,而不是以浸于空间之中的方式居住着。”

 

罗威利一直和巴黎法国大学的世界顶尖数学家艾伦·科纳合作研究这一概念。他们共建了一个框架,以揭示我们感受为时间的那个东西,如何能够从一个更为基本的、无时间的实在中浮现出来。罗威利是这样描述的:“时间可能是一个粗略的概念,它只在大尺度情况下出现——有点像‘水面’的概念,只在宏观层次上有意义,但在原子层次,‘水面’失去了确切的含义。”

 

罗威利意识到,他的解释可能只是加深了时间的神秘性,他是这么说的:有很多知识,现在我们认为理当如此,同样也曾被认为令人迷惑不解。我知道,这种图像并不直观,但这就是基础物理学要做的事——找到新的对世界的理解方式,提出来并加以验证。我想,当伽利略说,地球在飞速旋转,这在那个时代也同样完全无法理解。哥白尼的空间不同于牛顿的空间,牛顿的空间也不同于爱因斯坦的空间。我们总是一点一点地学到更多。

 

举一个例子,爱因斯坦在他的革命性的时间观中找到了安慰。1955年3月,当他的终生好友米歇尔·贝索去世时,他写了一封信安慰贝索的家人:现在,他只是比我们先一步离开这个奇怪的世界。这算不上什么。相信物理学的人会明白,过去、现在和未来的区分,只不过是一个顽固持续着的错觉。

 

罗威利感觉到又一次时间学上的突破即将来临。他说:“1905年爱因斯坦发表的论文,转瞬之间就改变了人们对时空的认识。我们再次身处类似的情况。”最终,当尘埃落定,时间——不管它可能是何物,或许甚至——比爱因斯坦所能想象的还要奇异、虚幻。

 

文章来源:http://discovermagazine.com/2007/jun/in-no-time

原文发布日期:2007.06.12

 

智悲翻译中心 译竟于2017.01.11

翻译:圆往

一校:刘丹

二校:圆直 圆故 圆航·

终审:圆恩

 

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