@ 2016.10.03 , 14:16

时间只存在于观察者眼中

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过去。现在。未来。在物理学里,它的名字叫做时间。

对你,对我,对任何一个人。时间之箭始于期预,贯穿经历,埋入回忆。

但是最新科学理论认为,时间之所以流逝,是因为人类等观察者的存在。每个人都有属于自己的时间。

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时间之箭的问题已经我们已经讨论了数十年。不是怀疑它是否存在,而是在弄清它前进的方向。许多物理学家认为,时间在量子尺度的微小粒子中开始,当微小粒子相互作用影响到了宏观世界,它所在的空间中就出现了时间。一百年前,爱因斯坦在德国《物理年鉴》(Annalen der physik)上发表了狭义相对论与广义相对论的论文。他告诉我们时间是相对的,与观察者在空间里的运动速度有关。

而今年将被同一刊物收录的一篇论文中(目前可在arXiv.org阅读),两位科学家指出,引力的强度不足以让宇宙中的一切事物按照过去>现在>未来的方向走下去。换句话说,时间之箭只属于观察者自己。

要试图理解这个问题,让我们先回到目前物理学面临的最大挑战——量子力学与经典力学的结合。量子力学中的微观粒子可以存在于两个地方,只有被观察到的时候才会具有固定位置。这被叫做“叠加态”。

但是一旦超越了量子尺度,微观粒子就开始与其它的物质产生作用。量子力学变得不再适用,引力的存在也变得更加明显,整个物体在数学上进入了经典力学的范畴。伯克利物理学家Yasunori Nomura表示,“单个电子与原子的位置是由概率决定的”,但当它们组成了更大的物体(如乒乓球),这些单独的概率融为一体,这个物体也进入叠加态的可能性就明显消退(你不看乒乓球的时候它一般仍在那里)。

因为在物理学上没有位置来进行比较,时间对于只存在于概率中的粒子没有意义。当这些围观粒子聚合在一起,经过一个叫做退相干(decoherence)的过程后,经典力学取代了量子力学。时间的方向也在这个地方才显现出了意义。因此,大多数物理学家认为时间之箭始于“退相干”。

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有关退相干最著名的诠释是一个惠勒-德维特(WdW)方程的理论。1965年的一天,物理学家John Wheeler在机场等中转的飞机,并把他的同事Bryce DeWitt叫来消磨时间。他们热烈地讨论着各种理论,忽然想出了一个能模糊量子与经典力学之箭的界限的公式。

这个公式并不完美,但它帮助了人们理解退相干与另一个叫做量子引力的理论。WdW公式给人们提供了结合宇宙中宏观与微观部分的道路。

而这个公式中,表示时间的变量并不存在。

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五十年后,物理学家Dmitriy Podolskiy与生物学家Robert Lanza写下了本文正在讨论的那篇论文。他们声称在WdW方程中,引力的影响不足以对宇宙时间的方向造成影响。Lanza表示,“如果你计算一下,你会发现这个公式没有解释时间的方向从何而来。”在公认的理论中,微观粒子在被引力控制之前都保持着自己的时间方向。但如果引力不足以在退相干的过程中控制住这些物质的相互作用,则由微观粒子组成的大型物体也就不具有统一的时间方向。

在这种情况下,时间并不是客观存在的。时间会流逝,只是因为我们被生下来以后,就在生理上、神经上与思想上带有“体验”此类光阴的能力。想象一只巨大的薛定谔猫。在宇宙中一个没有观察者的角落,时间可能是从前往后走。但人类一旦把望远镜指向哪里,时间就会显现出我们习惯的方向。Lanza说,“爱因斯坦在他相对论的论文中表示,时间对观察者来说是相对的,我们的理论走得更远,说时间是被观察者创造出的。”

这并不是一个全新的理论(意大利物理学家Carlo Rovelli去年发表了同一题材的论文),它也并未得到广泛认可。Nomura点出,如果在数学上排除系统中的观察者后还能定义时间的概念,才能说明“观察者时间”是真实的。但论文作者表示,因为所有公式是由人这个观察者归纳出的,观察者无法在任何公式中被排除。

Nomura还认为论文作者没有考虑到整个宇宙都存在于时空(spacetime)这样一个无相干的系统之中。他只是不赞同论文的结论,并不打算说这个理论是错的。毕竟在很长一段时间里,物理仍将是门不完善的科学。按照相对论,每个理论对物理的理解也都是相对的。

本文译自 Wired,由译者 zzjeff 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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