时间,也许仅存于你我的头脑之中

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利维坦按:尽管我们看了无数的科幻作品,幻想着时间穿梭,但从古典力学的角度却无法解释时间的不可逆——你养的猫咪从小长大,成年,然后直至死亡;我们人类也同样如此,出生,成长,衰老,死亡。难怪莱布尼茨和康德这样的人会觉得时间只是一种幻觉和诡计:时间并不存在,它只是一种人定的规则。

如果按照热力学第二定律来解释时间的不可逆则是这样的:在一个封闭的系统中(我们可以将宇宙看成是最大的可能的封闭系统)熵只能增大,不能减小。宇宙中的熵增大后不能减小,因此时间是不可逆的。

抛开这些理论,我们想一想,到底我们是怎么感知时间的呢?如果我们没有了记忆(抹除过去),我们还能感受到时间的流逝吗?如果时间是一个依序列方式出现的维度(就像牛顿认为的那样),那么这一维度为何和其他三维如此不同?

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过去、现在、未来,在物理学里都是一回事儿。但对于你我以及其他人而言,时间向同一个方向运动:来自于期待,穿越经历,再进入记忆,这种线性关系被称为“时间之箭”(arrow of time)。但有一些物理学家相信,这样的进程仅仅因为人类和其他有着类似神经系统的生物,可以察觉到它的流逝罢了。

关于“时间之箭”的疑问是个老问题了。而且需要明确的是,它无关时间是否存在,仅仅事关时间运动的方向。许多物理学家认为,只有当出现足够多符合量子力学那古怪规则的微观粒子时,才会在相互作用下,开始显现出经典宏观物理学的特性。但是两位科学家如今在期刊《物理年鉴》(“Annalen der physik”,当年爱因斯坦也在其上发表了开创性大作:《宏观和微观相对论》)上撰文指出,万有引力并没有强大到足以让宇宙中的任何物体,服从相同的“过去→现在→未来”的方向。相反,“时间之箭”现象只取决于观察者。

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这一切都可以追溯到物理学史上最大的问题之一:量子力学和经典力学的统一。在量子力学的范畴,粒子具有叠加态。也就是说,一个电子可能同时存在于两处,直到被观察之前,人们无法确定其位置。电子可能的位置只能用概率来表示,这在实验中被证实了。

可当电子开始和一堆空气分子之类的多个物体相互作用时,又或者是坍缩为尘埃、飞机或是棒球等具体的事物时,物理规则就变化了。经典力学开始接管,万有引力变成了决定性力量。“原子中每个电子的位置,都是由几率决定的。”加州大学伯克利分校的物理学家野村康则(Yasunori Nomura)如是说。而一旦它们(电子)与其他宏观事物发生关系,抑或直接构成了类似棒球一样的事物,电子的状态开始叠加,于是一个电子的集合(比如棒球)的叠加态则开始坍缩。这就是为什么你永远不会看到,一颗棒球在同一刻既被左外野手的手套捕获,又飞向上层看台的原因。

微观物理和经典物理相互融合的那一刻,被称为退相干(decoherence)。在物理学中,它也是时间的方向性在数学意义上变得重要的时刻。并且,很多物理学家认为“时间之箭”就是在退相干时出现的。

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惠勒-德威特方程式(Wheeler-DeWitt equation)是解释退相干最著名的理论。它创建于1965年,当时一个叫约翰·惠勒(John Wheeler)的物理学家因故不得不在北卡罗莱纳州机场临时滞留。为了打发时间,他让同事布莱斯·德维特(Bryce DeWitt)跟他面基。俩人干了些物理学家们最爱干的:侃侃理论,耍耍数学。他们一起捣鼓出了一个方程,对于惠勒而言,这玩意完美黏合了量子力学和经典力学之间的缝隙(德威特对此比较模棱两可)。

这个理论并不完美,但它至关重要。多数物理学家同意,这是个用于理解诡异的基本退相干理论以及所谓“量子引力(quantum gravity)”的重要工具。

让我们看看为什么说它诡异:尽管方程式本身不包含时间变量(这并不是全部的诡异之处。时间自身并不能被测量,在物理学里它是由一个物体的位置……和时间……之间的关系来进行测量的,总之它就是很诡异啦……)但是,方程式提供了将宏微观整合在一起的框架。

然而,两位科学家在最近起草的一篇论文中写道:惠勒—德威特公式中,万有引力的效应在全局性的“时间之箭”现象中起作用太慢了。“如果你看些例子,再做下计算的话,会发现公式并不能解释时间的方向性是在何时出现的。” 该论文的共同作者之一,身兼生物学家和博物学家的罗伯特·兰扎(Robert Lanza)说道【兰扎创立了生物中心主义(biocentrism),一个认为“空间和时间是由生物感官所创造”的理论】。换句话说,这些轻盈的量子在万有引力起作用前,应当能够保持自己的叠加性。或者说,如果万有引力太弱,以至于无法保持分子间相互作用的话,就会坍缩成为宏观的物体,那么,就再也没有办法让它们在时间方面保持同样的运动方向了。

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如果数学无法证实这一点的话,就交给我们这些观测者来完成吧。时间之所以拥有这样的运动方式,是因为由生物性、神经网络性和哲学性相结合的人类,正是这样体验它的。这宛如薛定谔的猫的宏观版本。在宇宙的某个遥远角落里,可能时间是从未来向过去逆向运动的,可是当人类架起一台望远镜对着那个方向观察时,时间又变得符合“从过去到未来”的规律了。“在爱因斯坦的相对论里,阐述了时间是相对于观测者存在的,”兰扎说道,“我们的论文在此基础上更进一步,认为其实正是观测者们创造了它。”

这不一定是一个新的理论。意大利物理学家卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli)去年就写了篇关于它的论文,并发表在了ArXiv,一个开放的物理学网站上。但它并非没有争议,野村就指出了一个漏洞:怎样才能检验所谓“观测者时间(observer time)”的定义是真实的?“答案取决于在整个系统没有观测者的情况下,这个概念是否可以被数学所定义。”他说道。论文作者们却认为,无法从任何公式中去除观测者,因为公式都是默认由人来导出和分析的。

野村则称,即便论文作者们也无法解释一个事实,那就是整个宇宙中并不存在一个叫做“时空”的介质。“因此当我们谈论时空时,我们实际上是在谈论一个已经退相干了的系统。”他并没有进而指出论文作者们错了,因为物理学始终是一个亟待完善的科学。但他并不同意他们通过数学而得出的结论,毕竟如时间这样的东西,物理学的解释都是相对的。

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