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时间是幻觉吗?

2011-01-02  .了了

时间是幻觉吗?

作者 阿曼达•格夫特(Amanda Gefter)
译者 王士杰

http://www.yuzhoutanmi.cn/html/ShiJianKongJian/ShiJianLvHang/867.html

   时间,对我们来说是最为熟悉的。然而当你试图精确地了解它的时候,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?

 时间是主宰着你世界的无形存在。它如影随形,滴滴答答跳个不停——你总是可以在内心里感觉到它。在日出日落的时候,在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,你总可以在自己心脏的跳动中感觉到它的存在。时间凭借由“过去”、“现在”和“未来”这样的划分,为我们的生活引入了先后顺序。

时间,对我们来说是最为熟悉的。然而当你试图精确地了解它的时候,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元失火,然后发出咝咝声和冒烟。

然而,并不是只有你一个人有这样的感觉。物理学家们长期来一直在努力去理解时间究竟是什么。事实上,他们甚至不能完全肯定时间到底是否存在。在他们对
宇宙探索更为深入的理论时,一些研究人员日益怀疑,时间并非是自然世界的基本特征,而仅仅是我们感觉的人为产物。一组研究人员最近发现了一种量子物理学研究方法,它不需要援引时间,这种研究方法可以帮助我们安排一条不需时间概念的“一切理论”的研究路线。若是正确,此种方法提示时间其实只是人们的幻觉,那么,我们可能需要重新考虑宇宙的这个巨大系统。

几十年来,物理学家一直在探索着把爱因斯坦的广义
相对论(它描述大尺度上的引力理论)与量子力学(它描述极小尺度下的粒子行为)相互协调的一种新的引力量子理论。研究的所以如此困难的的原因在于,它们两者是以两个相互并不兼容的时间观点为基础的。位于加拿大安大略省滑铁卢的园周物理研究所的李•斯莫林(Lee Smolin)说,“我愈来愈相信,时间的问题既是量子引力理论,又是宇宙学的关键。”

根据广义相对论,时间与空间一起形成了四维
时空。时间通道不是绝对的——不存在宇宙时钟,它会让宇宙的钟点会在滴答声中流逝。正好相反,从某个参照体系的框架下的进入到另一个框架时,时间是不一致的,一个观察者体验为时间,而另一个观察者则体验为是时间和空间的混合物。对爱因斯坦来说,时间是对事物运行的一种实用的度量参数,没有什么特别的。

在量子力学里却不是这样来看这个问题。在量子力学里,时间发挥着关键性的作用,它跟踪了时刻在变化着的用来解释微观世界的各种概率,而这些概率已被编码为量子系统的波函数。波函数所随之演化的那个时钟,它反映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,另一个是量子系统的外部经典世界。在这断裂的宇宙里,时钟总是逗留在量子系统之外的。

某一方必须让步。事实上,宇宙是没有任何外部的,根据定义,就提示着量子力学应该予以放弃——对许多情况,这个定义提示时间不是基本的。例如,20世纪90年代,物理学家朱利安•利巴伯(Julian Barbour)就建议过时间绝对不能存在于研究宇宙的量子理论之中。虽然如此,物理学家们不愿意抛弃量子理论,因为已被证明,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要时间的量子力学的研究方法。

单一的量子事件

法国马赛大学的物理学家卡洛•罗威利【2】(Carlo Rovelli) 的创造正在于此。在过去的一年里,他和他的同事们制定了一个方法,可以把时间上的多量子事件压缩成为可以用没有时间参考体系来描述的单一事件。(见《物理评论 D》,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的方法只是许多种方法里的一种,工作在量子引力的其他模型上的其他研究人员对此问题也可能具有不同的看法,可是几乎所有研究这个问题的物理学家都认为,时间是找到终极理论的关键性障碍。罗威利的方法似乎只是差一点点就可以克服这一障碍了。他所用的模型是建立在加州大学圣巴巴拉分校的物理学家詹姆斯•哈特尔(Santa Barbara)的广义量子力学的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:假定我们有个以‘自旋’(一种量子属性,依据不同的测量方向其值为“向上”或“向下”)为特点的电子。譬如说,我们要做两次连贯的‘自旋’测量,一个是在x方向,另一个在y方向。测量可能结果的概率将依赖于执行测量的次序。这是因为一次测量会瓦解波函数的不确定状态,而促使它置于设定的状态。第一次测量会改变粒子的状态,它影响了第二次的测量结果。

譬如说,我们已经知道电子在 x 方向是“向上”自旋的。如果要在测量了x方向的‘自旋’后,接着就测量y方向的‘自旋’,我们就会发现原来在x方向上的“向上”没有起变化,可是在y方向上的‘自旋’就有了50:50的“向上”或“向下”的比例而不再确定。然而如果先测量的是y方向上电子的‘自旋’,则它对x方向的‘自旋’的测量结果同样也会产生了不确定的扰动。也就是说,在“向上”或“向下”两个测量方向上都会产生出了各有50:50的概率。

如果测量在时间上的重新排列改变了电子自旋的概率,那么我们怎样才能计算事件序列的概率而不再参照时间呢?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外部世界(测量装置通常被认为是安放在经典外部世界里)之间的分界线。把这个分界线移位,我们就可以把测量装置也包含为量子系统的一部份。

在这种情况下,我们不再问“电子的自旋向上和自旋向下的概率为多少?” 而是问:“发现测量装置处于特殊状态的概率有多少?” 这时测量装置就不再使波函数坍缩,而是电子和测量装置在一起,共同为一个单一的波函数所描述,只有整个组合的单一测量才会引发波函数的坍缩。

时间到那里去了?时间的演变已经转变为空间中可以观察到的事件之间的相互关系。罗威利说,“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达洛杉矶。这里我是在时间里来叙述事件的。然而我也可以告诉你,我是沿着地图上的所标的路线驱车从波士顿驱车到洛杉矶的。这样我就把前一种描述中关于测量在时间中的发生的信息替换成了可观察的事件彼此如何联系的详细信息。

罗威利的研究方法产生量子力学的正确概率似乎可以证明他的直觉知识是正确的,这种直觉知识就是可以把宇宙动力学描绘为有相互关系事件的网络,而不再是时间中的演变。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成为更为可信,更加与标准的物理学的观点相一致。”

把量子力学重新写成与时间无关的形式,再与广义相对论结合起来就不那么费劲了,这时得到的宇宙就没有什么必要以时间为基本量了。然而如果时间并不存在,为什么我们会这样似乎明白无误地感觉到它呢?究竟时间是不是仅是幻觉呢?

罗威利说,情况确是这样,但这里有一个物理解释。十多年以来,他与 巴黎法兰西学院数学家阿兰•孔涅(Alain Connes)【3】一起工作,认识到,为什么没有时间的现实世界会导致时间概念的出现呢?他们把这种设想称为热时间假设,此种假设提示时间是作为统计效应而出现的,与此相类似,将大群分子的运动加以平均就得到温度的概念。(《经典和量子的引力理论》,11卷,2899页Classical and Quantum Gravity, vol 11, p 2899)

设想一个盒子里的气体。原则上,我们可以跟踪每一个分子在每时每刻的位置和动量,从而获得在这个环境里微观状态的总体知识。此时,并不存在所谓的“温度”;与此相反,而我们所具有的只是分子千变万化的排列。可是跟踪实际状态下的所有的信息是不可行的,但我们可以把微观表现平均起来使之形成一个宏观的描述。我们可以凝聚关于分子动量的全部信息成为一个单一的量,它们的平均值,这就是我们常说的温度。

根据阿兰•孔涅和罗威利的理论,上面的假设,一般来说也可以用于宇宙。这时,我们就要跟踪更多的要素,我们不仅要跟踪需要处理物质的粒子,而且还要跟踪空间本身及引力。在我们把这些浩瀚的微观安排平均化以后,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,存在着时间的流动只是我们对现实非常近似的认识。”他还说:“时间是我们无知的结果。”

时间的流动实际上是不存在的,它只是我们对现实的近似的了解。感知的时间流动,只是我们对实际的非常近似的认识。时间是我们无知的结果。

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是正确的呢?阿兰•孔涅和罗威利采用简单的模型试验他们的假设。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)辐射来开始研究,宇宙微波背景的辐射是宇宙大爆炸后所遗留下的余热。宇宙微波背景只是统计状态的例子: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,它的温度还不到3K。罗威利和阿兰•孔涅把它作为宇宙统计状态的一个模型,加进其他的信息如可以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产生。

他们所得到的是描述一个小宇宙的一序列的状态,若把这一序列的状态扩大与标准宇宙方程所描述的完全相同的式样时,其结果正好与物理学家所称为的宇宙时间是相匹配。罗威利说,“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,而且非常惊讶地看到可以这个结论在一个简单的计算中工作。”

为了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。罗威利说:“量子引力的一个典型的困难之一在于理论上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:如果时间只是这个世界统计描述的一个人为制品,那末,对这个世界不同的描述应该会导致不同的时间流。确实存在着一个很清楚的情况:存在着事件视界【4】。

一个观察者在作加速度运动时,他创建了一个作为一条分界线出现的事件视界,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,那末从这个区域里发出的光线就永远也不能达到他。这个观察者所描绘出宇宙统计状态与另一个没有事件视界的观察者所描绘出完全不同, 因为他正在失去离开他的事件视界之外的信息。他所感觉到的时间流动应该由此而有所不同。

然而,使用广义相对论,也有别的方法来描述他(作加速度运动的观察者)对时间的体验。由他居住的空间-时间几何(决定于他的视界),确定了一个所谓本征时间——如果他携带着一个时钟的话就会记录下这个时间流。热时间假设预言观察者的本征时间与观察者的统计时间(即根据阿兰•孔涅和罗威利的思想所提出的时间)的比值,就是观察者所测量到的在他周围的温度。

每一个事件视界都有一个与它有联系的温度。最著名的例子就是黑洞【5】的这个事件视界,与这个事件视界有联系的温度就是黑洞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。由于罗威利和阿兰•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:“热时间假说的确是非常美妙的思想。但我认为它的实施仍然是有限制的。目前,人们只是在时间观念已经有效时,只是验证了罗威利和阿兰•孔涅的假设并不自相矛盾。但是它还没有应用到量子引力理论中去。”

另外一些人极力主张在采用所有的方法来解释时间性质的时候,需要特别谨慎。里格尔斯(Rickles)说,“说时间是幻觉是错误的。尽管时间的观念是可变形的或者是非基本的。然而来自人的头脑活动的意识总不能仅仅是幻觉吧。

所以如果时间真的被证明是非基本的,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会逐渐地融化掉。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,只是你对现实正在消失信息的结果。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,就请你不妨放松一下吧!即使你真的认识到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!

 


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概念的量子力学,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,数学家阿兰•孔涅(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,孔涅的作用是决定性的。
【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的事界外放出的辐射。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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