@ 2014.11.26 , 17:12
115

物理学家答:为什么时间只能向前走而无法倒流?

[-]
popular mechanics杂志请到了Tim Koslowski,一位新不伦瑞克大学的理论物理学家,他研究引力和时间,最近有了一项重大的理论突破。今天他将向我们揭示答案。


问:什么是时间箭头?为什么它困扰物理学家将近一个世纪?

答:时间箭头的通俗解释是我们可以记住过去,但无法记忆未来。我们可以查阅历史书籍和其他各种记录来了解发生在我们之前的事情,而在我们之后的(未来)的事情却无法了解。

这看上去很简单,但里面却有一个悖论。物理学是对称的,意味着无论你朝时间的哪个方向移动,发生的情况应该都一样。举个例子,假设有这么一部影片,记录一只鸡蛋掉落桌面,然后摔碎在地上。如果你把影片倒放,那么所有的碎片就像是自行组装一样,这种(重组装之)力将一只完整的蛋弹回到桌子上——当然,这也符合物理学定律。

那么问题来了。为什么我们找遍宇宙,都只能看到第一种情况,却从来没见过第二种情况呢?


问:有什么可能的解释吗?

答:人们曾提出过许多种解释,其中大部分围绕着这么一个中心:时间箭头本质上是由熵的增加而产生的。熵,粗略地讲,是系统的无序程度。熵是不对称的。这是热力学第二定律。我们知道任何足够大的系统经过足够长的时间其熵的总和一定是增加的——它会从一个状态变为一个更加无序的状态。

假设你先在瓶子里装一半盐,再把另一半填满胡椒粉。一开始是清晰分明的两层东西。但你只要移动或者晃动瓶子,盐和胡椒就会混合从而变得无序。这就是熵。而且因为它是一个单向过程,许多物理学家认为是它决定了时间箭头的方向。

但是这个理论有两个缺陷:第一是熵有上限——你的盐和胡椒瓶最后会达到一个最无序态,也就是无论你再怎么摇晃,它们都不会更加混合了。第二,为了观察熵的增加,首先你要确定一个初始状态——就是盐和胡椒的初始状态。要是拿我们的宇宙作例子,那就得仔细想想了——一个高度有序的初始状态是几乎不可能的。

[-]

问:据说你通过观察一项复杂度的属性,避开了这两个问题。你能解释一下吗?

答:我们建立了一个大规模宇宙的近似模型,里面引力是主要作用力。宇宙中充满粒子。记住,这是个简化的近似模型。例如,我们没有引入其他任何力,或者引力波/暗物质什么的。

我们不需要设定一个特殊的初始条件就可以产生时间箭头,原因比较复杂,但根源是引力不像其他力一样,万有引力就是吸引力(其他力如强弱相互作用力和电磁力都是既有吸引力又有排斥力)。这很重要。因为吸引力和排斥力的结合不可避免地造成了一种混沌的平衡,而单一的万有引力则可持续增长,我们从中演化出了时间箭头。

这意味着在我们的模型里,无论初始粒子的状态是多么的无序,只要引力持续存在,宇宙的各部分就会聚集,我们的模型就会凝合出许多亚系统。你可以把它们想象成星系的形成。它们都有自己独特都旋转,能量和动量。

[-]


问:等等,我们先退回去一点。要是我们只考虑万有引力,为什么你的模型不会自己坍塌呢?
答:你很机智。我们知道当你把整个宇宙看作一体,它其实是在膨胀的。我们通过设定粒子间距的增加把这种膨胀机制引入到模型中来。

这很关键,因为在引力主导的膨胀系统中,你会马上看到很有意思的事情发生。宇宙的复杂度(我们把复杂度作为一个明确的物理量来描述模型的聚集度)会持续增长,无穷无尽。我们发现这样一个系统,无论你输入的初始状态如何,它的复杂度都会无限制地增长。

[-]


问:但是那些和引力不相关的物理现象呢?为什么它们的时间也只能向一个方向进行?

答:这个我们现在正在研究,我先给你一些早期结论。一个例子就是原子衰变,你会发现一个原子总会衰变成一个更轻的原子,而不是更重的。这就符合时间箭头,却看似和引力毫无关联,是不是?但其实也不尽然。你要知道,原子之所以成为原子,是因为某种东西把它聚合成这样一种初始状态,然后它才能衰变。

我们还无法具体理解。但我们的确有一个早期宇宙的模型,当引入引力后,模型产生了许多异常的初始状态。随着宇宙膨胀,在产生的亚系统里引力慢慢失去了主导地位,初始的不稳定因素开始同时发展其他的时间箭头。


问:你的意思是早期宇宙很有可能有多个不同方向的时间箭头?

答:是的,的确有可能。我们其实把这个过程叫hylogenesis(物质生成)——早期宇宙的某个阶段不同时间箭头是混乱无序的。但是因为引力是主导作用力,它迫使所有的时间箭头指向一个方向。在那之前,没有我们现在所说的时空概念。

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


给这篇稿打赏,让译者更有动力
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

4.7
赞一个 (23)

TOTAL COMMENTS: 115+1

[3] 2 »
  1. 3274469

    有时候你在做一件事时 你突然想起发生过这种事 而且知道下一秒会发生什么事 我猜想这和未来的我有关

  2. Ashpto
    @2 years ago
    2903090

    @mu: 晚上睡不着觉的感觉,黑暗无边对吧

  3. holmes
    @3 years ago
    2613886

    呵呵呵,,,我又看不懂,我真是lowB

  4. 2613518

    这篇给满分

  5. 花轮同学
    @3 years ago
    2613317

    Mark

  6. 2613304

    因为:根本就没有时间.
    你们都有一样多的时间吗?

  7. backfire
    @3 years ago
    2613121

    我一直认为,宇宙是一个生命体。或者只是生命体中的一个细胞或者组织。宇宙的起源也就是生命体的诞生(或者是细胞分裂)这个生命正在生长,所以我们的宇宙是在膨胀阶段。黑洞是某种管道,(神经管道,血管之类的,细胞间的连接管道。也许我们现在公认的物理定律,恰恰属于生物范畴)。暗物质也许不是物质,而是一种“力” 。(血压、表面张力。。。。。。。)

  8. 2612747

    @mu: 额,你不想想数学家;圆锥曲线在約公元前200年時就已被命名和研究了,其發現者為古希臘的數學家阿波羅尼奥斯;而其第一次在物理中应用则是伽利略观测计算小行星轨道时,相差大约1700年左右;古人所看不到的今天,正是我们所看不到的明天。未知也是异种美

  9. 2612682

    @mu: 能说说你是怎么离开学术界的吗?

  10. 捂脸
    @3 years ago
    2612583

    @吃葡萄忘吐葡萄皮: 不是出现瓶颈,是目前模型复杂得用高级电脑也计算也需要十分庞大的时间,而且都来不及用其他方法再验算一遍,你也不知道你用的方法对不对,在哪些条件下才正确,或者实现这些条件也是很困难艰巨的任务。理论物理学家在简练模型的方程,实验物理学家在验证理论物理的模型下某个极端值理论和现实是否吻合,计算机数学家在优化解方程的方法,理论数学家在提炼纯粹数学空间里还未被发现的定理公理推论,看看能不能用到解方程上去。而且有时候团队或者一人身兼多职的也有。而且现在要爬到巨人的肩膀上都得爬三十多年才能达到巨人的手肘,同时巨人还在不断长高。
    物理的每个进步都是在数学的基础上的。微分积分张量空间等等等等。

  11. 2612457

    @feider: 对不起,罗素并不懂多少数学

  12. dredow
    @3 years ago
    2612439

    我的感想是时间当然可以倒流,但这种现象无法在三维空间得到观测,就像二维的人无法想像三维的空间一样。另外一个意思就是,时间就算倒流了,我们也绝逼感受不到,除非我们到了更高的维度。

  13. 蕾拉
    @3 years ago
    2612425

    大学是最接近大众的教授机构,现在看来和正道科学相距甚远啊

  14. 2612423

    比方说在黑洞附近时空流逝的速度慢,而在这附近的人依旧会是老去的,而这个老去是煽变得过程,而时空流逝慢才是正真意义上的时间定义,时间在大尺度上并不是说不能回到过去,需要的是奇异物质,当然在观测的角度上来讲我们是可以看到过去的,直接通过望远近看到的就是过去啦,物理定义法则里头并没有涉及时间的量,瓶子打碎不能重来在物理定义里头都是可以的,为啥不因为煽定义的概率中瓶子恢复原来状态的概率非常非常小,这难道很难理解?大伙儿以为现在的时间切片上我们在做各种不同的事情,比如你在吃饭我在工作打字,巴拉巴拉之类。。。但是因为速度的原因,每个人的时间切片其实是不一样的,比如我在很远的地方以高速朝你的方向离开,此时你观测我,你观测到的我是过去的我,而我现在的时间切片是在你的未来。。。仅此而已,http://www.bilibili.com/video/av1706188/index_2.html 第24分钟开始

  15. morningtouch
    @3 years ago
    2612406

    学习了!感觉好有爱的网站!

[3] 2 »

发表评论


24H最赞