当我们谈论时间时,我们该谈论些什么?

图库        2019-10-09   来源:言天聊史
当我们谈论时间时,我们该谈论些什么?

当我们谈论时间时,我们该谈论些什么?

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当我们谈论时间时,我们该谈论些什么?

1.

时间的开端

当我们谈论时间时,我们该谈论些什么?

1929年,埃德温·哈勃发现,不管你往那个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去。换言之,宇宙正在膨胀。哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙的尺度无穷小,而且无限紧密。在这种条件下,所有科学定律预见将来的能力都失效了。时间是宇宙的一个性质,在宇宙开端之前不存在。由于更早的时间根本没有定义,所以在这个意义上人们可以说,时间在大爆炸时有一开端。

科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构,也就是从只有几英里直到大至1亿亿亿英里,即可观测到的宇宙范围尺度的结构。另一方面,量子力学处理极小尺度的现象,例如万亿分之一英寸。

然而,可惜的是,这两个理论不可能都对。当代物理学的一个主要的努力,即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没有这样的理论,要获得这个理论,我们可能还有相当长的路要走,然而我们已经知道了这个理论所应具备的许多性质。

2.

时间光锥

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我们通常的经验是可以用三个座标去描述空间中一个点的位置。从一个事件散开的光在四维的时空里形成了一个三维的圆锥,这个圆锥称为事件的未来光锥。以同样的方法可以画出另一个称之为过去光锥的圆锥,它表示所有可以用一光脉冲传播到该事件的事件集合(如下图)。

对于给定的事件P,宇宙中的事件可以分成三类。

1、从事件P出发由一个粒子或者波以≤光速的速度运动,所能到达的那些事件称为属于P的未来。它们处于从事件P发射的膨胀的光球面之内或之上。因为没有任何东西比光走得更快,所以在P所发生的东西只能影响P的未来事件。

2、类似地,P的过去可被定义为那些以≤光速的速度运动到达事件P的事件的集合。也就是所有能影响P的事件集合。

3、不处于P的未来或过去的事件被称之为处于P的他处。在这种事件处所发生的东西既不能影响发生在P的东西,也不受发生在P的东西的影响。

例如,假定太阳就在此刻停止发光,它不会对此刻的地球发生影响,因为地球的此刻在太阳熄灭这一事件的光锥之外。我们只能在8分钟之后才知道这一事件,这是光从太阳到达我们所花的时间。同理,我们也不知道这一时刻发生在宇宙中更远地方的事:我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前发出的,在我们看到最远物体的情况下,光是在80亿年前发出的。这样当我们看宇宙时,我们是在看它的过去。

3.

时间有没有终点?

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宇宙最终会停止膨胀并开始收缩或将永远膨胀吗?要回答这个问题,我们必须知道现在的宇宙膨胀速度和它现在的平均密度。利用多普勒效应,可通过测量星系离开我们的速度来确定现在宇宙膨胀的速度。然而,因为我们不是直接地测量星系与地球间的距离,所以测量结果不是很精确。所有我们知道的是,宇宙在每10亿年里膨胀5%至10%。

此外,我们对现在宇宙的平均密度测量得更不准。原因是有大量的“暗物质”,那是我们不能直接看到的,但由于它们的引力对星系中恒星轨道的影响,我们知道它必定存在。将所有这些暗物质加在一起,我们仍只能获得必须用以停止膨胀的密度的1/10。然而,我们不能排除这样的可能性,可能还有我们未能探测到的其他的物质形式几乎均匀地分布于整个宇宙,它仍可以使得宇宙的平均密度达到停止膨胀所必要的临界值。

所以,现在的证据暗示,宇宙可能会无限地膨胀。但是,所有我们能真正了解的是,既然它已经膨胀了100亿年,即便如果宇宙还要坍缩,则至少要再过这么久才有可能。这不应使我们过度忧虑——到那时候。除非我们像刘慈欣的小说流浪地球那样到太阳系以外开拓殖民地,否则人们早由于太阳的熄灭而灭绝了!

4.

虚时间

当我们谈论时间时,我们该谈论些什么?

虚时间即用虚数(i²=-1)测量的时间。在以实的时空为基础的经典引力论中,宇宙可能的行为只有两种方式:或者它已存在了无限长时间,或者它在有限的过去的某一时刻的奇点上有一个开端。

量子引力论开辟了另一种新的可能性,在这儿时空没有边界,所以没有必要指定边界上的行为。这儿就没有使科学定律失效的奇点,人们可以说:“宇宙的边界条件是它没有边界。”宇宙是完全自足的,而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被创生,也不被消灭。它就是存在。

时空是有限而无界的思想仅仅只是一个设想,它不能从其他原理导出。正如任何其他的科学理论,它原先可以是出于美学或形而上学的原因而被提出,但是对它的真正检验在于它所给出的预言是否与观测相一致。

当人们试图统一引力和量子力学时,必须引入“虚”时间的概念。虚时间是不能和空间方向区分的。如果一个人能往北走,他就能转过头并朝南走;同样的,如果一个人能在虚时间里向前走,他应该能够转过来并往后走。这表明在虚时间里,往前和往后之间不可能有重要的差别。而“实”时间,在前进和后退方向则存在有非常巨大的差别。

上述这些也许暗示所谓的虚时间是真正的实时间,而我们叫做实时间的东西恰恰是空想的产物。在实时间中,宇宙的开端和终结都是奇点。这奇点构成了科学定律在那儿不成立的时空边界。但是,在虚时间里不存在奇点或边界。所以,很可能我们称之为虚时间的才真正是更基本的观念,而我们称作实时间的反而是我们臆造的,它有助于我们描述宇宙的模样。科学理论仅仅是我们用以描述自己所观察的数学模型,它只存在于我们的头脑中。所以去问诸如这样的问题是毫无意义的:“实”的或“虚”的时间,哪一个是实在的?这仅仅是哪一个描述更为有用的问题。

5.

时间箭头

当我们谈论时间时,我们该谈论些什么?

为何我们从未看到碎杯子集合起来,离开地面并跳回到桌子上,通常的解释是这违背了热力学第二定律所表述的在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加。这就是一个所谓的时间箭头的例子。

时间箭头将过去和将来区别开来,使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头:第一个,是热力学时间箭头,即是在这个时间方向上无序度或熵增加;然后是心理学时间箭头,这就是我们感觉时间流逝的方向,在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来;最后,是宇宙学时间箭头,在这个方向上宇宙在膨胀,而不是收缩。

我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头,是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。正像一个计算机,我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。无序度随时间的增加乃是因为我们是在无序度增加的方向上测量时间

在经典广义相对论中,因为所有已知的科学定律在大爆炸奇点处失效,人们不能预言宇宙是如何开始的。宇宙可以从一个非常光滑和有序的状态开始。这就会导致正如我们所观察到的、定义很好的热力学和宇宙学的时间箭头。但是,它可以同样合理地从一个非常波浪起伏的无序状态开始。在那种情况下,宇宙已经处于一种完全无序的状态,所以无序度不会随时间而增加。这时就没有定义很好的热力学时间箭头;或者它会减小,这时热力学时间箭头就会和宇宙学时间箭头反向。

宇宙开始时处于一个光滑有序的状态,随时间演化成波浪起伏的无序的状态。这就解释了热力学时间箭头的存在。如果宇宙停止膨胀并开始收缩将会发生什么呢?热力学箭头会不会倒转过来,而无序度开始随时间减少呢?宾夕凡尼亚州立大学的当·佩奇指出,无边界条件没有要求收缩相必须是膨胀相的时间反演:无边界条件意味着事实上在收缩相时无序度继续增加。当宇宙开始收缩时热力学和心理学时间箭头不会反向。

余下的问题是;为何无序度增加的时间方向正是宇宙膨胀的时间方向?如果人们相信,按照无边界假设似乎所隐含的那样,宇宙先膨胀然后重新收缩,那么为何我们存在于膨胀相中而不是在收缩相中。

对于智慧生命的行为来说,一个强的热力学箭头是必需的。为了生存下去,人类必须消耗能量的一种有序形式——食物,并将其转化成能量的一种无序形式——热量,所以智慧生命不能在宇宙的收缩相中存在。这就解释了,为何我们观察到热力学和宇宙学的时间箭头指向一致。并不是宇宙的膨胀导致无序度的增加,而是无边界条件引起无序度的增加,并且只有在膨胀相中才有适合智慧生命的条件。

总之,科学定律并不能区分前进和后退的时间方向。然而,至少存在有三个时间箭头将过去和将来区分开来。心理学箭头本质上应和热力学箭头相同。宇宙的无边界假设预言了定义得很好的热力学时间箭头,因为宇宙必须从光滑、有序的状态开始。而热力学箭头和宇宙学箭头的一致,乃是由于智慧生命只能在膨胀相中存在。人类理解宇宙的进步,是在一个无序度增加的宇宙中建立了一个很小的有序的角落。

6.

虫洞和时间旅行

当我们谈论时间时,我们该谈论些什么?

根据相对论,没有东西比光运动得更快。因此,如果要去银河系中心探险,至少要10万年才能返回。这样,要想实现时间旅行,我们必须运动得比光还快。要打破光速壁垒存在一些问题。相对论告诉我们,飞船的速度越接近光速,用以对它加速的火箭功率就必须越来越大。对此我们已有实验的证据,我们可以把粒子加速到光速的99.99%,但是不管我们注入多少功率,也不能把它们加速到超过光速壁垒。

这样看来,快速空间旅行和往时间过去旅行似乎都不可行了。然而,还可能有办法。人们也许可以把时空卷曲起来,使得事件A和事件B之间有一近路。在A和B之间创造一个虫洞就是一个法子。顾名思义,虫洞就是一个时空细管,它能把两个几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来。

1935年爱因斯坦和纳珍·罗森写了一篇论文,指出广义相对论允许虫洞的存在。爱因斯坦和罗森指出虫洞不能维持得足够久,使得空间飞船来得及穿越:虫洞会缩紧,而飞船会撞到奇点上去毁灭。然而,有人提出,一个先进的文明可能使虫洞维持开放。人们可以把时空以其他方式卷曲,使它允许时间旅行。

可以证明这需要一个负曲率的时空区域,如同一个马鞍面。通常的物质具有正能量密度,赋予时空以正曲率,如同一个球面。所以为了使时空卷曲成允许旅行到过去的样子,人们需要负能量密度的物质。经典定律是不允许这样的情况发生的。而量子定律更慷慨些,量子理论允许在一些地方的能量密度为负,只要它可由在其他地方的正的能量密度所补偿,使得总能量保持为正即可。

所以,人们希望随着科学技术的推进,我们最终能够造出时间机器。但是,如果这样的话,为什么从来没有一个来自未来的人回来告诉我们如何实现呢?

一种解释是,因为我们观察了过去并且发现它并没有允许从未来旅行返回所需的那类卷曲,所以过去是固定的。另一方面,未来是未知开放的,所以也可能有所需的曲率。这意味着,任何时间旅行都被局限于未来。

解决时间旅行的其他可能的方法是称为选择历史假想。其思想是,当时间旅行者回到过去,他就进入和历史记载不同的另外的历史中去。这样,他们可以自由地行动,不受和原先的历史相一致的约束。选择历史假想是说,宇宙不仅仅有一个单独历史,它有所有可能的历史,每一个历史都有自己的概率。

那么,为什么我们并没有受到历史的骚扰?霍金提出了时序防卫的猜测。它是讲,物理学定律防止宏观物体将信息传递到过去。当时空被卷曲得可以旅行到过去时,在时空中的闭圈上运动的虚粒子,在时间前进的方向以等于或者低于光速的速度运动时,就会变成实粒子。由于这些粒子可以任意多次地绕着圈子运动,它们通过路途中的每一点许多次。这样,它们的能量被一次又一次地计算,使能量密度变得非常大。这也许赋予时空以正的曲率,因而不允许旅行到过去。这些粒子引起正的还是负的曲率,或者由某种虚粒子产生的曲率是否被别种粒子产生的抵消,仍然不清楚。这样,时间旅行的可能性仍然未决。

7.

结论

当我们谈论时间时,我们该谈论些什么?

当我们将量子力学和广义相对论相结合,似乎产生了以前从未有过的新的可能性:空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的没有奇点或边界的空间,这正如地球的表面,但有更多的维数。看来这种思想能够解释观察到的宇宙的许多特征,诸如它的大尺度一致性,还有像星系、恒星甚至人类等等小尺度的对此均匀性的偏离。它甚至可以说明我们观察到的时间的箭头。

然而,如果我们确实发现了一套完整的理论,它应该在一般的原理上及时让所有人(而不仅仅是少数科学家)所理解。那时,我们所有人,包括哲学家、科学家以及普普通通的人,都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨论。如果我们对此找到了答案,则将是人类理智最终极的胜利。

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