|
选自 Nautilus 作者：KEN WHARTON & HUW PRICE 机器之心编译 参与：Duo、小樱、小雨季节、20e、Angulia
根据我们最好的物理理论，你所以为的时间都错了。在爱因斯坦的广义相对论中，过去未来之间并没有概念上的区别，更不用说「现在」这条线了。时间「流」的提法也没有什么意义；相反，所有的时间空间只是在那儿，在某些四维结构中。而且，物理学所有的基本规律对前进和后退本质是相同的. 这些事实不容易被接受，因为它们与我们对时间的主观体验直接冲突。但是不用觉得太糟：即使物理学家也很难接受这些事实，这种持续不断的张力将物理学置于冲突中，不仅是与常识，也和物理学本身冲突。当试图解释世界上发生的事件时，就像很多物理学家谈论时间的对称性一样，他们不允许自己调用未来，只能唤起过去。 焦虑：就像吉他弦的边界（它如何在两端固定）决定了它的振动，宇宙遥远的过去和未来可能决定了今年天会发生什么。 当想方设法解释时，我们大多数倾向于根据300年前牛顿制定的规则思考。这种「牛顿图示」把过去作为基本的，用它来求解未来，一次一步性地解释我们的宇宙。一些研究人员甚至把宇宙看作是一个向前运行的电脑程序的输出，一张这一图示（schema）自然延伸出的图片。尽管我们的时间观在上个世纪发生了巨大的变化，牛顿体系仍莫名持续成为我们最流行的物理框架。 但是，把老的牛顿体系思想强加到新的量子水平的现象上，使我们陷于没有任何好的解释的情形。如果这些现象看起来令人费解，可能是我们思考问题的方向出了问题。如果我们愿意考虑未来和过去，可以采用好得多的解释。但是，牛顿式的思维方式本质上不能进行这种时间中立的解释。计算机程序仅在一个方向上运行，企图结合两个以相反方向运行的程序会陷入自相矛盾的泥潭，就像时间旅行电影中的糟糕情节。为了对待未来和对待过去一样认真，我们显然需要牛顿图示模式的替代方案。 而且我们有一个替代方案。绝大多数物理学家都意识到了一个不同的框架，在这一替代方案中，我们可以对时空进行平等地分析。这个称为拉格朗日图示（ Lagrangian Schema）的替代方案，有古老的渊源，也已成为每个基础物理学领域的必要工具。但是，即使是经常使用这种方法的物理学家也抵制住了显而易见的最后一步：认为拉格朗日图示不只是一种数学技巧，也是一种解释世界的方法。或许，我们对待自己的理论还不够严肃和认真。 拉格朗日图示，不仅允许「基于未来」的解释。它「要求（demand）」如此。当把未来和现在放在同一立足点考虑时，这种框架避免了悖论，并给新的阐释方法提供了机会。它可能就是物理学下一个重大突破所需的视角。 理解拉格朗日图示的第一步，要将牛顿思维中的时间「流」完全放到一边。最好是整体处理时空区域：亦即，同时考虑整个时间段，而不是将之视为一部电影中的连续片段。我们可以把时空区域描述为有边界的四维结构，不仅空间有边界，时间也有—— 一个时区最初和最后的界限。 所有经典物理，从电到黑洞，都可以通过简单的、基于拉格朗日的「最小作用量（least-action）」原理得到解释。为了将它应用于一个时空区域，首先，你要描述物理参数如何在整个边界被约束的。然后，对于边界之内每一组可能的事件，计算出一个「作用量（action）」。在给定原初边界约束（original boundary constraints）以及其他一些技术性说明（caveats）情况下，作用量最小的那组事件，就是将真实发生的事件。
例如，当一束光从A点传播到B点，这里的作用量（action）就是传播时间。给定中间障碍物，实际路径就是用时最少的那一条。在这种思考方式中，光的传播会在镜面发生弯曲，只因为那样能使总传播时间最短。拉格朗日图示在量子物理中发挥作用的方式，稍有不同，它产生的是概率，而不是决定性的预测，但是，基本原理是相同的：时空边界约束仍然是同时被给定的（imposed all at once）。 根据牛顿理论的逻辑，这种说法听上去十分奇怪。点A的光线似乎有先见之明（关于点B和未来阻碍的情况）、巨大的计算能力（来勘测不同的路径）以及代理能力（来选择最快的路径）。 牛顿理论学说和拉格朗日学说不相吻合——而且，我们很可能不该将光线人格化。 拉格朗日图示从完整边界约束（包括关键的最终边界）开始来解释事件，而不是仅通过过去解释事件。如果不给处在B点的光线强加一个最终限制，这种方法就无法给出适当答案。但是，如果应用得当，数学计算的成功就预示着边界约束具有清晰的逻辑优先性：任何时空范围的边界均解释着其内部。（the success of the mathematics indicates a clear logical priority of the boundary constraint: The boundary of any spacetime region explains the interior.） 拉格朗日方法为已知物理提供了最简洁和最灵活的解释，物理学家们常倾向于这一方法。然而，尽管以拉格朗日为基础的原则被广泛应用，但是，连使用它们的物理学家也不能正确地理解这些原则。可能通过未来发生的事情来解释事件是难以接受的。毕竟，过去和未来还是有着明显的区别的。假设我们看见如此明显的时间箭头标记，那未来的边界怎么可能和过去的边界一样重要呢？ 不过，还是有一种方法来调和拉格朗日模式和我们的偶然经验。我们只需充分地进行宏观思考，同时不错失细节。 FACE LIT UP：物理在时间上是可以逆转的。如果，一个聚光灯照亮一座雕像，你也可以说是一座雕像照亮了一个聚光灯。我们从不在实践中这样做是因为它违背了我们对于解释所蕴含意义的预想。 设想在闪光灯下给一座雕像拍照。每一条光线都各自遵循最小作用原理，为光的路径提供了一个完美的时间对称解释。但是，一并考虑，就有了明显的不对称：最初边界A全部簇集在闪光处，而最终边界B却延展至雕像之外。而且，非常清楚的是：来自A点的光的传播，可以很好地解释B点光照，反过来，却未必如此。即使可以反过来看到光线路径，也没人会因为雕塑上复杂的光线模式，而合乎逻辑地宣称，光线集中在发光灯泡出， 这里得到的一个经验是：解释复杂事件，如果要让人满意，就要采用简单的已知（simple givens）。以单一事实为基础，再用几个相关参数来解释诸多事件。无论你用的是哪一种图示（schema），这都应该是显而易见的。 但是，这种 A和B的不对称，却不能反驳拉格朗日观点，这种不对称仅仅是说，A和B一起才能最好地解释两者之间所发生事件的细节情况。即使是在拉格朗日图示中，A和B也不是彼此独立的。要明白它们之间的关系，我们需要把视野放大。根据拉格朗日图示的边界框架（ boundary framework of the Lagrangian Schema），解释并非链式（chain）。而是相互嵌套（nest）。也就是说， 我们不认为，事件A引发事件B从而引发事件C。我们把这个小的时空区域看作一个整体，然后把它视为一个更大的范畴（时间和空间双重含义上的）的一部分。应用相同的拉格朗日的逻辑，这个更大的范围边界现在就该解释得了其内部（包括边界本身）所有事情。
将这一流程运用到雕塑的例子上，我们会发现灯泡和照明也有同样的不对称性。也就是说，我们可以很好的解释照相机过去发出的闪光，但是，我们不能通过放眼未来，解释雕塑被照亮。然后，我们可以将那个更大的系统封装进一个比它还要大的系统，以此类推，直至宇宙边界——我们整个宇宙的外部边界。据我们所知，我们可以在那种规模上看到相同的不对称性：接近宇宙大爆炸的一种不寻常、平滑的物质分布， 以及未来中更大的无序。 从拉格朗日的角度看待常态的时间和空间，这样一个事实强有力地证明了最靠近我们的宇宙边界存在于我们的过去：起始边界（背离灯泡的光线）比最终边界（照亮了雕塑）简单得多。这一排序的一致性意味着，在相对的未来，并没有相应的宇宙边界。所以，如果说大爆炸是我们对宇宙显著特征的最佳诠释，那么，本质上，时间无异于站在寒冷窗边所感觉到的空间维度梯度（ spatial temperature gradient）。两个例子中，没有一个例子的时空是非对称的；它仅仅是这样一个问题：相对于最近边缘约束，你所处的位置。 在我们通常观察到经典尺度（scale）上，我们没有从未来边界得到任何新的信息，这些信息也是过去所没有的。如果这在任何尺度规模上都成立，那么，拉格朗日图示就有麻烦了，因为未来边界根本没什么意义。但实际上，当我们开始考虑量子不确定的问题时，它就不为真了：微观的未来细节，无法仅凭过去推测而得。而且，在量子规模水平上，拉格朗日图示的真实力量才变得明显。 在标准量子纠缠试验中，一对粒子被测量探测器发射，2台电脑爱丽丝和鲍勃，生成随机数控制探测器。探测器事件可能命令源能发生什么，甚至他们能指向未来。 量子纠缠是一个反对牛顿模式的概念。目的不在于细节，让我们回想一下量子纠缠试验的典型框架。中心设备创建2个粒子，左粒子送入由一台计算机（爱丽丝）控制的探测器，右粒子被送到另一台计算机控制（鲍勃）的远程探测器。探测器测量不同形式的粒子，通常由独立的随机数决定。60年代爱尔兰物理学家约翰·贝尔的著名论证，这些实验的测量结果与我们反对的解释具有关联性。 尤其是这些粒子的共同过去不足以解释测量相关性，至少没有覆盖整个测量范围，爱丽丝和鲍勃还可以随机选择。当然，许多科学家都希望解释这些结果，但仅通过数学描述的相关性，他们倍感不快。他们发现自己调用神秘实体，不存在任何时空中，或甚至超过光速（公然反对众所周知的爱因斯坦相对论）。
不考虑这些绝望的选择，每个人都同意，如果仅仅是这些粒子能预测爱丽丝和鲍勃的随机设置，我们仍能给出合理的解释，但有关粒子的大多数建议听起来更悲观，要求某种形式的欺骗：粒子会识别出所有投入到爱丽丝和鲍勃的随机数生成器，及使用这些信息来预测未来探测器的设置。 几乎没有人接受量子纠缠试验的说明，正如你不会接受因一个雕像的复杂细节而存在本地相机闪光灯的解释。这种阴谋论观点违反了我们解释的合理标准：假定存在的机制比试图解释的结果更复杂。 在雕像示例中，明显的解决办法是把最简单的边界寻找最佳的解释。对于量子纠缠，引用拉格朗日的观点，合理的解释几乎是一目了然的，解释不是在复杂前提下设置探测器，它是在简单的未来设置探测器自身。 这些神秘的相互纠缠的粒子位于图中偏暗的时空区域上，同时，这个区域的边界不仅包括它们的准备（preparation），还包括他们的最终的检测。这一系列由 Alice 和 Bob 选择的设置，在真正的探测器中得到了实际的表达，就在最终的边界线上——正好是拉格朗日图示告诉我们去寻找的合理解释的位置。我们所需要做的一切就是允许粒子直接受限于那个遥远的边界，这样，就有了一个简单的纠缠实验的解释。在这种情况下，正是未来和过去一起，完美地解释了这些观测到的现象。 量子纠缠可能不是唯一谜团，我们能够通过将未来视为一种解释而解开这个谜团。其他量子现象最终也可能有一个潜在、更简单的解释，这样的解释建立在普通的空间和时间上，在稍远距离上，没有任何作用量。或许量子理论中概率最终会展示出像其他科学领域中概率论一样的法则：单纯地归因于我们不知道的参数（因为它们之中的一部分都存在于未来）。 其他方面的研究学科也很自然地提出来一些关键的问题。如果过去受制于未来，为何结果受限于量子级别的事物？在何种范围内宇宙边界理论占据主导地位，并且我们该如何一般化基于拉格朗日的方法从而使这一切变得有用呢？ 解决这样的问题，或许不只是对于物理学有帮助； 它可能同时也启示我们如何看待身为宇宙这个四维空间一部分的自己。比如， 根据拉格朗日图示， 在任意区域的微观细节都不完全意义上受限于过去的界限。在大脑的原子层次上，的确存在相关但未知的未来限制。通过提供一种新的感觉——未来不纯粹取决于它的过去，这样的思考线路甚至有助于解释我们的自由意志感。当然，这需要我们重新思考这一观念：固定的过去和开放的未来之间，存在整齐、客观的区别。 几乎每次科学界找到更深刻、更简单、更令人满意的理论解释时，这个解释就会引发许多进一步的科学发展。所以，如果有一个更为深刻的量子现象解释，我们还尚不理解，那么，如果能在更深层次理解它，就会让一大批利用量子效应的技术取得核心进步。当然，错误的直觉已经减缓了过去的物理学进展，而且我们的时间直觉和他们出现时一样强烈。但是，如果我们能简单地让自己放眼未来，那么，会看见一条清晰的道路，它通往自然最深处的秘密。 本文由机器之心编译，转载请联系本公众号获得授权。 ------------------------------------------------ 加入机器之心（全职记者/实习生）：hr@almosthuman.cn 投稿或寻求报道：editor@almosthuman.cn 广告&商务合作：bd@almosthuman.cn |
|
|
