@ 2007.07.27 , 16:28

可能 之 时间本虚无

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这个世界上,可能没有人比 Ferenc Krausz 更在行记录时间了。Krausz 是德国 Garching 的 Max Planck 量子光学研究院的科研人员,他成功的记录了有史以来最短的时间段——100 阿秒(attosecond,==微微微秒 )。这个时间段是 Krausz 利用紫外激光脉冲记录下的电子发生极短量子跃迁(时花的时间)。而100 微微微阿秒等于 10 的 16 次方分之一秒,更直观点,如果 100 微微微阿秒等于一秒,那原来的一秒就等于 3 亿年 -_-

但是, Krausz 记录的这个时间段离真正的极短时间还很有一段距离。在时间的计量领域里,有一个被称为普朗克(Planck)的尺度,它标记着物理学的研究边界,因为用普朗克尺度标记的时间段实在是太短,以致于所有关于时间和空间的概念都不再成立。一普朗克单位的时间等于 10 的 43 次方分之一秒,直观的说,在一普朗克的时间面前,100 微微微阿秒就像是永远 -_- 比一普朗克更短的时间?没人知道,起码现在是这样。

对短过一普朗克的时间的研究,把物理界带到了一个两难的境地。简单的说就是,在最最根本的物理存在里,时间可能根本就不存在。如果这样的话,那什么是时间?为什么我们又能如此真实的感觉到它的无所不在? 牛津大学的物理学强人(philosopher of physics) Simon Saunders 说:“给时间下定义,在现代物理学里面是很大的难题,目前看来,最简单的解决办法恐怕就是说‘不知道’……”

实际上,上述的问题是因为牛人爱因斯坦的相对论否定了“时间是宇宙常量”才出现的。爱因大大的理论,不仅告诉我们:现在,过去和未来都不是绝对的,也给物理学届带来了新的难题:万有引力定律无法解释量子物理学里的现象。大约四十年前,著名物理学家 John Wheeler 和 Bryce DeWitt 试图通过他们创立了一个等式来统一引力学和量子力学。但是这个 Wheeler-DeWitt 等式却备受争议,一个原因是,这个等式对时间的解释更加的有悖于人们之前对时间的理解。

供职于法国 Mediterranean 大学的物理学家 Carlo Rovelli 说:“你会发现,Wheeler-DeWitt 等式里面,没有时间这个量的存在。……而事实上,很多理论里,(时间这个量)也正是难点所在。也许解释量子现象的最好办法确实是放弃考虑时间这个量,即在试图对宇宙万物进行最根本的描述时,放弃考虑时间的存在。”

目前还没有人成功的用 Wheeler-DeWitt 等式统一了量子理论和万有引力理论,但是少数物理学家(绝对数量却不小),包括 Rovelli 认为,如果要整合这两个 20 世纪最伟大的物理理论,就必须承认在宇宙里没有时间的概念。
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“时间可能并不存在”这一概念,在物理学界广为人知,被称为“时间问题(problem of time)”。“时间问题”可能是时间相关的最大物理难题,但绝不是唯一的一个。另一个著名的难题就是:没有任何一个理论能解释为什么时间总是向未来发展。事实上,即使时间指向过去,所有的物理理论:牛顿的,爱因斯坦的,包括量子理论仍然成立。奇怪就奇怪在,虽然没有任何物理定律能限制时间的走向,可它却一直无怨无悔的朝着未来发展。

物理学家们普遍相信宇宙起源于大爆炸,最初的宇宙只不过是一个高度压缩着的能量球。虽然物理定律本身并不提供时间这一维度,但是,持续扩张的宇宙本身产生了时间这一维度。伴随着不断的扩张,宇宙本身开始变得复杂和无序。宇宙扩张导致的无序性的增加,即熵的增加,是推动时间不断向前的动力所在。

如果是熵的增加推动时间的不断向前,那么时间的存在就离不开宇宙本身,即宇宙之外是不该有时间存在的。我们中的绝大多数都如牛顿那样的理解时间:时间是与自然界无关的独立存在。但是,爱因斯坦的理论却否定了牛顿对时间的理解,说时间是宇宙不可分割的一部分,我们的钟表并不能度量任何独立于宇宙的存在。

量子力学工程师 Seth Lloyd 说,实际上,我的的钟表并不能度量时间。他说,之前不久,他去参观美国国家标准与技术研究院(NIST)时夸人给全美提供报时服务的原子钟很准(#废话!),结果人回答说:“我们的钟测不了时间”,当 Lloyd 正在心里感叹对方谦虚时,人接着说:“我的的钟是用来定义时间的”。 仔细想想,确实,他们的原子钟真是在通过向全球报时来定义时间。(#夸张了点吧?中国不是也有原子钟么?)

来自 NIST 的 Rovelli,无时间宇宙理论的拥护者,说:“实际上我们并不能观测到时间,我们观测到的只是表针的跳动。而任何表针都可被视为一个物理变量,这么说,我们就是在通过一个物理变量(表针)来观察另一个物理变量(时间),用表针的变化来描述时间的改变。……所以,对于 Wheeler-DeWitt 等式,我们要做的不是加入时间这一不可观测的变量,而应该试图找到其他变量和时间变量之间的联系(来达到引入时间这一概念的效果)。唯一的问题就是,对于事物来说,时间到底是基本属性还是只是宏观现象而已。我认为,时间是只针对于大东西而存在的宏观现象。”

Rovelli 所说的“大东西”,指的是那些存在时间远不是普朗克尺度所能描述的东东(#有发现不是“大东西”的东东么?),只是现在根本没有物理理论能很好的解释,在普朗克尺度时间内,宇宙是什么样的。一种可能的解释是,如果物理学家们统一了量子理论和万有引力,调整过的量子理论很可能会被用来描述空间和时间。在这个理论里,时间和空间不再是平滑连续的,而是由很小的离散片段——量子组成,就像光是由光子组成的一样。但如果量子不存在于时间和空间里,那它(们?)存在于哪呢?

Rovelli 解释说,在量子力学里,所有物质和能量的粒子都可以被描述成波,而波的一个不寻常特性就是:无数的波可以重叠在一起。如果有一天时间和空间被证明是由量子组成的,那量子可能就都叠加在因次点(dimensionless point,即不存在任何维度的点)上,而不出现在任何空间和时间内。

Rovelli 和法国巴黎 Alain Connes 大学的科学家一起搭建起了一个框架,以帮助人们将平常对时间的感知和无时间概念的根本存在联系到一起。Rovelli 解释说:“时间就像一个广而视之的泛泛存在,有点像 ‘水面’ 这个概念,我们能肉眼宏观的感知它,但却不能从原子那一层级上去认知它。”

Rovelli 说,他上面对时间的解释可能会让各位看官更加的困惑,但是,很多刚被证实的理论也都是一样的让人不解。特别是那些和我们直觉有很大出入的理论,就像当年当伽利略说地球在不停的疯狂打转时,几乎都没人相信一样。我们总是在慢慢的接受概念的改变:牛顿的空间理论和哥白尼的的日心说有点不一样,而爱因斯坦的空间理论又和牛顿的理论有那么点不一样。

爱因斯坦,可能是唯一一个从自己的理论中找到某些慰藉的牛人。1955 年 3 月,当挚友 Michele Besso 去世时,他在给 Besso 家人的信中说:“他已经先我一步离开了这个离奇世界,但是,对于像我们这样了解物理的人来说,死亡并不代表什么,因为我们坚信,所谓的过去,现在和未来都不过是难以理解的假象而已,(我们实际上是永远在一起的)。”

Rovelli 猜测说,我们对时间的理解可能会在很短的时间内有个质的跃迁,就像爱因斯坦 1905 年那几篇(关于量子理论的)论文彻底改变了人们对时空的认知一样,很快,当尘埃落定,我们会发现,时间可能是某样比爱因斯坦所说的假象还奇怪的东西。

# 在下绝对高等物理盲,斗胆翻了这篇文章,如果哪位专攻物理的大大觉得有辱法眼,还请见谅……欢迎指正 :-)……后悔之前没看《时间简史》ing……
# 谢谢 fofo 指正 :-)

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