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时间是错觉吗?...

2009-03-16  无中生有

时间是错觉吗?
• 2008年1月19日 作者 阿曼达·格夫特【1】(Amanda Gefter)译者 三言两语

 

• 2639号杂志

主宰着你的世界其实是些看不见的东西。它如影随形地始终紧跟着你,它总是滴答不停地在跳动着——你总是可以在内心里感觉到它。在日出日落的时候,在你的日常生活里匆匆参加会议、乘坐火车和在做各种事情的最后期限即将到来的时候,你总可以在自己的心脏的跳动中感觉到它的存在。它通过过去、现在和将来的范畴,给我们带来了生活的先后次序

时间,对我们来说是最为熟悉的。然而,当你试图紧紧地抓住它的时候,就会发现它只是为一连串层出不穷、难以解释的疑问。为什么时间 显得总是在流动,又是什么使它与空间相区别。时间 到底是什么?这个问题足以使你的神经发毛、咝咝发响,甚至冒烟。

然而,并不是只有你一个人有这样的感觉。物理学家们一直在努力了解时间 究竟是什么。事实上,他们甚至不能完全肯定时间 到底是否是真的存在。在对宇宙作了更深入的理论探索之后,一些研究人员日益怀疑,时间 时间并非是自然世界的根本性质,而仅仅是我们感知世界的工具。一组研究人员最近发现了量子物理学方法的研究中,它不需要援引时间。这种方法可以为我们铺平一条没有时间 观念的“所有理论”的道路。如果这种方法是正确的话,可以表明,如果 时间 真的只是人们的错觉,那么,我们就可能需要重新考虑怎样来认识宇宙这个最为巨大的系统。

几十年来,物理学家一直在寻找一种能把描述最为宏观的引力理论(即爱因斯坦的广义相对论)和能描述最为微观的粒子行为的量子力学两者协调地结合起来的一种新的量子引力理论。其中一个最大的难点在于,它们两者建立在两个相互并不兼容的时间 观念之上。加拿大安大略省滑铁卢 园周物理研究所的李·斯莫林(Lee Smolin )说,“我愈来愈相信,时间 问题是解决量子引力理论和宇宙学争论焦点的这两大问题的关键所在。”

根据广义相对论时间 与空间紧密地结合在一起,形成了四维时空。时间 通道不是绝对的,也就是说,没有一个宇宙的时钟会让宇宙的某个时刻在的滴答声中溜走。正好相反,某个参照体系的框架下的时间在它进入到下一个框架时,就会起变得与以前不同。一个观察者的所体验的“认为他所经历的是时间”;而另一个观察者的所体验是“他所经历的是时间 和空间的混合”。对爱因斯坦来说,时间 只是一种有用的事物计量单位,但也并没有什么特别。。


量子力学里却不是这样来看待这个问题。在量子力学里,时间 发挥着关键性的作用,它跟踪了决定微观世界时时刻刻在变化着的某种概率,而这个微观世界已被编码为量子系统的波函数。波函数依靠时钟演变成为某种记录,所采用的不是在某个特殊参考框架下的时间,而恰恰是爱因斯坦千方百计要去推翻的那个绝对时间。由此可见,尽管相对论把时间 和空间作为一个整体来处理,而量子力学却把宇宙分成两个部分:即一个是正在观察的量子系统,另一个是经典的外部世界。在这分成这两个部分的宇宙里,时钟始终通常只存在于量子系统之外。

 有些事情必须认定。事实上,宇宙是没有任何外部的。因此根据经典物理学的定义,量子力学应该被放弃;因为在许多情况下,量子力学总是认为时间 不是根本性的。例如,20世纪90年代,物理学家朱利安·利巴伯(Julian Barbour )就建议,时间 绝对不能存在于宇宙的量子理论之中。尽管如此,物理学家并不愿意抛开量子理论,这是因为已经被证明,量子理论对很多物理现象都能够做出非常准确的预测。物理学家们需要一种不需要时间 观念的量子力学。

简单的量子事件

法国马赛大学的物理学家卡洛•罗威利【2】(Carlo Rovelli)已经发现这一点。在过年的一年里,他和他的同事们制定了一个方法把来时间上的多量子事件压缩成为一个可以被描述为没有参考时间的单一事件。(物理评论,75卷,第084033页)

这是一个令人感兴趣的成就。虽然罗威利用来处理时间 办法只是许多种方法中的一种,在量子引力的其他模型上工作的其他研究人员对这个问题也具有不同的看法,可是几乎所有研究这个问题的物理学家都认为,时间 是找到最终理论一个关键性的障碍。罗威利的做法似乎是只差一点就克服这一障碍了。他所用的模型是建筑在加州大学圣巴巴拉分校的物理学家詹姆斯·哈特尔(Santa Barbara)的广义量子力学研究以及罗威利本人在量子系统早期工作的基础之上的。

罗威利的想法是:假设我们有一个以‘自旋’为特点的电子,那么它的量子属性取决于人们是沿着什么方向来测量它,是“向上”还是“向下”? 譬如说,我们要做两次连续的‘自旋’测量,一个是在x的方向,另一个在y的方向。其可能结果的概率将依赖于我们执行测量的次序。这是因为一次测量会破坏波函数的不确定状态,促使它固定在一个固定的状态上。第一次测量会改变粒子的原来的状态,它又影响了第二次的测量结果。

譬如说,我们已经知道了在x方向电子的‘自旋’是“向上”。如果我们现在要在测量了x方向的‘自旋’后,马上就测量y方向的‘自旋’。我们会发现原来在x方向上的“向上”没有变化,可是在y方向上的‘自旋’有50比50的“向上”或“向下”的比例而不再确定。然而如果我们先测量y方向上电子的‘自旋’,则它对x方向的‘自旋’的测量结果同样也产生了不确定的扰动。也就是说,在两个测量方向上都会创造出了各有50%变化的概率。如果我们要重新安排在时间变化方面的概率,我们怎样才能计算出不用时间作为参考系的事件进展的概率呢?罗威利说,关键在于改变宇宙中处于在观察之中的量子系统和经典的外部世界(测量装置通常被认为是安置在经典的这个外部世界的宇宙里)两者之间的界线。借助于这个界线的迁移,我们可以把测量装置也包含在宇宙的量子系统的那个局部之中。


在这种情况下,我们不再需要问,“电子所具有的‘自旋’,它的‘向上‘或是‘向下’的概率各有多少?” 我们要问的问题应改为:“测量装置处在宇宙中这种特殊的量子系统状态的概率是多少?” 这时测量装置就不会再去破坏波函数,而是要把被测量的电子和测量装置紧密地结合在一起,描述成为一个简单的波函数,只有整个结构的单个测量才有可能引发坍缩。


时间 到那里去了?时间的演变被转变成在空间中可以被观察到的事件的相互关系。罗威利说,“可以用一个相类似的比拟,例如,我可以告诉你,我驱车从波士顿出发先经过芝加哥再经过丹佛到洛杉矶。这里我用的是在时间 领域里,来描述这次旅行事件的。然而我也可以用另一种方法来说明这一件事,那就是我是沿着地图上的所标出的某条路径驱车从波士顿驱车到达洛杉矶。这样我就可以把在发生时间领域里的事件的测量信息用所观察到的一系列有相互联系关系的事件的详细信息来代替。

罗威利的研究方法所产生的量子力学的正确概率似乎可以说明他的直觉的合理性,也就是说把宇宙的动力学可以描绘有相互关系事件的网络,而不是时间 的演变。澳大利亚悉尼大学的物理哲学家 德·格尔斯(Dean Rickles)说:“罗威利的研究工作使没有时间 的观点变得成为更为可信,更加与标准的物理学的观点相一致。”

量子力学重新写成没有时间 观点的量子力学,再把它同广义相对论相结合,原来宇宙中是把时间 看作成基本量的,那时我们再这样看待宇宙似乎变得不合适了。然而既然时间 并不存在,为什么我们总是这样残酷无情地感受到时间 存在着呢?究竟时间 是不是仅是错觉呢?

罗威利说,情况确是这样的,但这里还有一个物理上的理论解释。十多年以前,他与数学家阿兰·孔涅【3】(Alain Connes )同在巴黎的法兰西学院工作时,就认识到,为什么没有时间 的现实世界会导致时间 观念的出现呢?他们把他们的设想称为热时间 假设,这种假设暗示着时间 只是一种统计学的效应,与之类似,温度,这个物理量就是以巨大郡体的分子行为的平均效应而出现的。(经典和量子的引力理论,11卷,2899页Classical and Quantum Gravity, vol 11, p 2899

可以设想一个盒子里的气体,我们不可能跟踪各个分子在每时每刻的位置和动量,但是我们具有这个环境里微观状态的总体知识。在这个研究方案中,我们并没有温度那样的事件,而我们所具有的,只是分子的不断变化着的排列。跟踪所有在实际状态下所发生的信息是不可行的,但我们可以把微观行为平均化,使之形成一个宏观的描述。我们可以浓缩关于分子动量的信息,使它成为一个简单的量,也就是它们的平均值,也就是我们常说的温度

根据阿兰·孔涅罗威利的理论,上面的假设,一般来说也可以用之于宇宙。这时,我们就要跟踪更多的要素,我们不仅要处理物质的粒子,而且还要处理空间本身以及由此引起的万有引力。在我们把这个大量的微观要素平均化以后,那时所出现的宏观特征就不是温度,而是时间 了。罗威利进一步说,“时间 的流动实际上是不存在的,我们所感到的时间流动只是我们对现实的非常近似的认识。”他还说:“时间 只是我们无知的感受。”

时间 的流动实际上是不存在的,我们感知的时间 流动,只是我们对实际的非常近似的认识。”他还说:“时间是我们无知的感受。

宇宙时间

在纸面讲讲这些理论似乎听起来都很不差,但有没有任何证据来说明这种想法的正确性呢?阿兰·孔涅罗威利已经用简单的模型来试验他们的假设。他们从寻找弥漫在天空中的宇宙微波背景(CMB是cosmic microwave background的简写)的辐射开始研究,宇宙微波背景的辐射是宇宙大爆炸后遗留下的余热。宇宙微波背景只是统计状态的一个例子:平均了它的各个细节,我们可以说,宇宙微波背景辐射实际上是均匀的,其温度还不到3K。罗威利阿兰·孔涅把它作为宇宙统计状态的一个模型,加进其他的信息,如所观察到的宇宙的半径等,他们希望能观察到有什么明显的时间流程会出现。

他们所得到的是描述是一个小宇宙的一连串的状态,若把这一连串的状态扩大到为与标准宇宙方程所描述的完全相同的式样时,其结果是与理学家所认为的宇宙时间 是相符合。于是罗威利就说,“我感到很震惊!孔涅也是这样,他独立地思考着相类似的想法,而且非常惊讶地可以在一个简单的计算中得到了相类似的结论”。

为把热时间 的假设用于宇宙,不管怎样物理学家们还是要用到量子引力理论。尽管如此,用宇宙微波背景那样的简单模型所产生实际可行的结果是有发展前途的。罗韦利说:“量子引力的一个典型的、难于解决的问题就是在理论中怎样理解不再出现时间 变量,在这里,我们开始看到,没有时间变量的理论不仅仍然可以讲得通, 而且实际上它也能够描述我们大家都能看到的、存在于我们周围的现实世界。”

更重要的是,热时间 假说提供了另一个有趣的结果:如果时间 是世界的统计描述的一个人为的工具,那么不同的描述应该会导致不同的时间流动。一个很清楚的情况确实存在着:在我们面前存在着一个事件视界。

一个观察者在作加速度运动时,他会创建了一个作为一条以分界线形式出现的事件视界【4】,这个事件视界在宇宙中划出一个区域,只要观察者继续加快,那末在这个区域里,光线就永远不能传送到他。这个观察者就会描绘出宇宙的另外一个统计状态,而与另一个不具有事件视界的观察者所描绘出的宇宙不相同。这是因为他正在失去离开他的事件视界更为遥远地方的信息。因此,他所感觉到的时间流动应该由此而有所不同。

然而,若使用广义相对论,也可以有别的方法来描述人们对时间 的体验。由人们的视界来定义的“空间-时间”几何,决定了一个所谓合乎传统的时间。如果人们携带着一个时钟,它就会记录着这个时间流动。热时间假设预言观察者的固有时间,同观察者的统计时间(即根据阿兰·孔涅罗威利的思想所提出的时间)的比值,就是人们所测量到的在他们周围的温度。事实上,每一个事件视界都有它相关的温度。最著名的例子就是黑洞【5】的事件视界,它的温度就是它所发射的霍金辐射温度【6】。同样地,一个在作加速度运动的观察者所测量到的温度与人们熟知的盎鲁辐射【7】是有一定的联系的。由于罗威利阿兰·孔涅所导出的温度与黑洞的盎鲁辐射温度和霍金辐射的温度是相符合,从而进一步巩固了他们的假设。

意大利罗马大学的物理学家皮埃尔·马丁内蒂(Pierre Martinetti)说,“热时间 假说的确是一个非常美妙的思想。但我认为它的实现仍然是非常有限的。目前,人们还只是验证了这种假设与“时间 观念还是有效”并不矛盾。但是它还没有应用到量子引力的理论中去。”

另外一些人极力主张在采用任何手段来解释关于时间 的性质的时候,都需要特别谨慎。里格尔斯说,“认为时间是错觉的想法,是错误的。尽管时间 的观念是可变形的或者是非根本性的。然而来自人的头脑活动的感觉,总不能认为仅仅是错觉。

所以如果时间 真的被证明是非根本性的,我们为它要做出的又是什么呢?罗威利说,“对我们来说,时间 是存在的,而且还在流动着,其要点在于这个美妙的流动在微观世界里变得更为复杂。”

在现实的最深层次上,我们仍然不知道,时间 是否将会经久不衰,还是要像萨尔瓦多达利时钟那样逐渐地消失。或许像罗威利和其他人所认为的那样,时间 完全只是一个观点而不是现实中的一个性质,是你对现实的信息正在逐渐消失的结果。所以,当你试图真正了解什么是时间的时候,如果感到伤透脑筋,那时就请你不妨放松一下把。即使你真的认识到了时间可能会简单地消失的时候,也许你也只能是这个样子吧!

 

图上说:

1广义相对论与量子力学在时间观念上是相互冲突的。解决这个冲突的方法是建立一个没有时间观念的量子力学,然而再去观察它是否可以与描述宇宙的广义相对论相协调。

2广义相对论认为时间是宇宙的固有的一部分,可是不同的观察者具有不同的时间。如果把宇宙看成是一个整体,时间就不再流动。

3量子力学认为是在宇宙之外的。波函数演变为包含着外部时钟。

4热时间假设:量子力学可以重新创建而使时间成为不再需要,所以在量子规模的微观世界里,时间就不再存在。

5采用这种方法,时间是通过可见宇宙的统计平均而出现的,这同分子运动的平均产生温度相类似。

译注:

【1】阿曼达·格夫特:她芳龄31,是目前炽手可热的青年物理学家,打算揭开时空本质的终极面纱。

【2】卡洛·罗威利:量子引力的主要人员有久治·普林(Jorge Pullin)—协助开发循环量子引力理论的物理学家;《循环、结、规范理论与量子引力》共同作者。 卡洛·罗威利(Carlo Rovelli)—循环量子引力理论创建者之一与主要贡献者。 李·施莫林(Lee Smolin)—循环量子引力理论创建者...

【3】阿兰·孔涅: 非交换几何学的创造者。 在2001年1月24日举行的瑞典皇家科学院全体会议决定将2001年度的Crafoord奖授予高等科学研究院(IHES)和法兰西学院的教授,数学家Alain Connes,表彰他在算子代数领域做出了重要工作并且和他人一起开创了非交换几何这一分支.法国数学家Alain Connes在算子代数理论中开拓了新的研究途径,并且是非交换几何的创始人之一.对于这一全新的数学领域的建立,Connes的作用是决定性的。

【4】事件视界:事件视界是从黑洞中发出的光所能到达的最远距离,也就是黑洞最外层的边界。当有物质落到黑洞中,或两个黑洞相撞并合并成一个黑洞时,新黑洞的" 事件视界" 面积将大于或等于原先黑洞" 事件视界" 面积的总和。事件视界,也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界,正如同围绕着黑洞的单向膜:物体能通过事件视界落到黑洞里去,但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。

【5】黑洞:一种宇宙体,其引力极大,致使任何东西,甚至连光线也不能从中逸出。科学家们猜想它是在某星体死亡并坍塌后形成的,开始时该星体的质量大约是太阳的十多倍。质量小些的星体演化为白矮星或中子星。黑洞结构的细节已根据A.爱因斯坦的广义相对论计算出来:零体积的“奇点”和无限大的密度将它周围由引力半径所确定的视界之内的所有物质和能都拉了进来。黑洞很小,而且不发射光,所以很难观察。然而,它们巨大的引力场影响着附近的物质,这些物质被拉入黑洞,而在视界外面以高速碰撞时会发射X射线。某些黑洞可能起源于非星体。许多天文学家都推测,在类星体和许多星系中心的超大质量黑洞是观察到的能活动之源。S.W.霍金提出了大量小型黑洞的创生理论,在大爆炸之际,这些黑洞的质量可能比不上一个小行星大。这些原发性的“微型黑洞”会随时间推移而损失质量,也就是霍金辐射的结果,最后消失。从技术上看,黑洞还只是理论性的,但已经观察到符合理论所预期行为的一些现象。

【6】 霍金辐射理论上指从一个黑洞事界外放出的辐射。1974年由S.W.霍金提出,他认为在视界附近会自然出现的一些亚原子粒子对,结果可能是黑洞附近的一个粒子逃逸,而另一个(负能量的)粒子被吸进去。负能量的粒子流进这个黑洞后,会减轻它的质量,直到黑洞发生最后的辐射大爆炸才完全消失。

【7】盎鲁效应:英文名称:Unruh effects。盎鲁效应,也译作安鲁效应,是1976年由当时在英属哥伦比亚大学的威廉·盎鲁(William G. Unruh)所提出,此效应预言:一名加速运动的观察者可以观测到惯性参考系中观察者无法看到的黑体辐射,即加速运动的观察者会发现自己处在一个温暖的背景中。所表示的意义为惯性参考系中观察者所看到的量子基态,在一名加速参考系的观察者看来则是处在热力学平衡态。

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