時間的起點到底在哪里？
據(jù)說有人曾問奧古斯丁“時間是什么”，奧古斯丁這般答道：“你不問我，我本來很清楚地知道它是什么；你問我，我倒覺得茫然了?！比缃褚磺Ф嗄赀^去了，人們對這個問題的研究獲得了怎樣的進展呢？  請將下列語句排列成一個合乎情理的人生故事：一個人死了，然后他結婚了，最后他誕生了——好在我們有天生的時間感，做這種問題完全是手到擒來：欲入墳冢，先出子宮，從未有過其它情況。 不過，在基礎層面上，時間之源仍然是一個謎。新澤西普林斯頓高等研究所（Institute of Advanced Studies, IAS）的一名物理學家，尼瑪·阿卡尼·哈姆德（Nima Arkani Hamed）說：“它是科學前沿最深刻的問題之一，當我們問起：‘時間是什么？它來自何處？’時，我們都不清楚這些問題是不是有意義。我們很難說明白一個沒有時間的世界、或一個沒有時間的物理學意味著什么。” 盡管除去時間會讓人困惑不已，但越來越多的證據(jù)表明，在實在（存在）的最基本的層面上，時間只是一個幻象。更奇怪的是，激光實驗測試和弦論（一個認為粒子是由細小的能量纖維組成的理論框架）的進展都不約而同地指向一條思路：時間并不存在。 一個世紀多點前，我們認識中的時間與空間圖景遠沒有這么復雜。物理學家愉快地在一個固定的三維空間背景下追蹤物體的運動，并用一個獨立的時鐘（上帝之秒表）來標記它們運動的快慢。人們認為，不論身處宇宙何處，上帝之表都以相同的速度滴答走秒。但到了20世紀初，兩大物理革命撼動了這種觀念。 第一場革命，是愛因斯坦的相對論將時間與空間編織成了隨動的四維結構。愛因斯坦將這種結構稱為“時空”，它能依隨周圍大質量的物體而變形，產生彎曲。質量小的物體則會沿著這些彎曲“滾向”大質量物體，這讓宇宙產生了一種稱為“引力”的作用力。在這一新的宇宙論中，時間不再是千年旁觀者，而成為與空間相融合、相聯(lián)系的一個維度。時間維和那些毫不含糊、可以測定的不同，它現(xiàn)在變成相對的了。相對論說明，時鐘的快慢取決于物體穿過空間的運動快慢以及它們靠近通過引力牽引它們的大質量物體的程度。  撼動我們對時間認識的第二大發(fā)展是量子力學。它是運用于亞原子領域的物理學。量子力學顯示，在最微觀的尺度下，事物的實質與存在變得很奇怪。比如，兩個粒子可以以某種方式“糾纏”起來，這樣它們就總會同時運動和變化。對其中一個進行的實驗會立即影響到另一個，且不論兩者距離多遠都是如此。換言之，相距甚遠的粒子對能夠即時“交流”，這明顯與“任何物體都不能超光速運動”及時間本身的概念相左。  但隨著這一問題越來越多地為人所知，真正的“時間問題”在上世紀60年代產生了。當時物理學家為結合上面兩大理論框架而焦頭爛額——它們各自在其適用范圍內成功地描述了宇宙：一個是在極小尺度下，一個則是在大尺度下。向著一個囊括一切的“萬有理論”（一套規(guī)范各種尺度下物質的規(guī)則）的探索啟程了。其中最知名、但也飽受爭議的假說是有兩位新澤西的物理學家提出的，他們是普林斯頓大學的約翰·惠勒（John Wheeler）和IAS的布萊斯·德維特（Bryce DeWitt）?；堇蘸偷戮S特試著用量子力學來描述整個宇宙——即，他們將適用于小尺度物質的理論應用到大尺度的行星、星系以及其它宇宙結構上。很多人對于惠勒他們的方式是否可行都表示質疑。意大利都靈的意大利國家計量院（Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, INRIM）的量子物理學家馬可·吉諾維斯（Marco Genovese）稱，這是因為沒有跡象表明量子定律能夠延伸到宇宙范圍中。不過試著聯(lián)合兩大理論的數(shù)學表述，看看結果如何的做法起碼還是合乎邏輯的。 二人將愛因斯坦的相對論方程與量子力學理論結合后，他們都驚呆了。兩套法則本都獨立地將時間視為表征事件的一個變量，但在將二者結合后，時間因子在數(shù)學方程中被完全抵消。兩套方程得出了一套描述宇宙行為的新方程，不過此時在其數(shù)學表述中，已經沒有哪個量可以標志變化或時間流逝了。吉諾維斯說：“惠勒-德維特方程表明，宇宙是靜態(tài)的，沒有任何東西在演化。不過呢，我們也當然都感覺得到時間與變化?！?/p> 宇宙從未變化的結論明顯是錯的。但物理學家在惠勒和德維特的數(shù)學推導中卻找不到任何錯誤。起先，人們認為二人的錯誤似乎是在于認為整個宇宙都可以用量子的方式加以描述。不過我們還有另一種有意思的可能性，它是上世紀80年代由物理學家唐·佩奇（Don Page，現(xiàn)在在加拿大埃德蒙頓的亞伯達大學）和威廉·沃特斯（William Wooters，在馬塞諸塞州威廉姆斯鎮(zhèn)的威廉姆斯學院）提出的。 佩奇和沃特斯決定采用一個頗有爭議的觀點：宇宙整體可以看成是一個巨大的量子對象，服從于電子、質子和其它亞原子世界中的微小粒子所遵循的物理規(guī)律。他們設想將宇宙分為兩大塊，按照量子力學定律，這兩塊是相互糾纏的?？茖W家已經在實驗中發(fā)現(xiàn)，兩個糾纏中的粒子具有相同但相反的值。例如，如果一個順時針旋轉，那么另一個就是逆時針旋轉。這樣，相加起來整體的這一性質就抵消了。佩沃二人稱，按類似的思路，分開的每塊宇宙將獨立地演化，但因為它們是相糾纏的，一塊中的變化會被另一個塊中的變化中和。對在其中一塊中的某人來說，時間在流逝，但對于一個宇宙之外的觀察者來說，整個宇宙是靜態(tài)的。 盡管佩沃二人基于量子糾纏提出了一個讓宇宙在一個從宇宙外部向內窺視的人認為宇宙是靜態(tài)的理論圖景，但卻似乎沒法證實或證偽他們的想法。不過，到了2013年，吉諾維斯和他的同事進行了一項實驗，至少在實驗室中驗證了制造一個這種宇宙的小型模型的可能。他們僅用了激光器產生的兩個光粒子（光子）。實驗的目的，是證明可以發(fā)生某種情形，讓一個量子體系在從外部看時處于不變、而從內部看時卻在演化。 在實驗中，吉諾維斯檢測光子的偏振，即光子振動的方向。如果讓一個偏振粒子以一勻速旋轉，那么它在任何時刻的指向就能像時鐘的秒針那樣用來標記時間間隔了。他的團隊讓兩個光子發(fā)生糾纏，使它們的偏振處于相對的模式。比如，如果一個的方向是上下振動，另一個就是左右振動。 該團隊讓光子穿過石英片，使之偏振發(fā)生旋轉，讓光子“秒針”運動起來。轉動量與穿越晶片所用的實際時間有關，這給了物理學家一種測定時間經過的方法。他們多次重復實驗，每次都在一個不同的時刻終止，然后測量其中一個光子的偏振。吉諾維斯說：“在測量第一個光子鐘時，我們也與它發(fā)生的糾纏。也就是說，我們變成了那個小宇宙的一部分，并且能夠通過相比我們的光子鐘而記錄另一個光子的變化?！边@樣，該團隊證實，在測量某光子的對子時，該光子會發(fā)生變化。同理，沃特斯和佩奇相信，如果測量宇宙的另一部分，那么這部分的宇宙看上去就在演化。 不過，吉諾維斯仍需證明假設的另一部分：如果從外部檢測作為一個整體的糾纏體系，它應該是靜態(tài)的。在這一部分的實驗中，團隊采用了宇宙外“超然觀察者”的視角。這個外部的觀察者不能查看任何一個光子單獨的狀態(tài)，因為這樣就會讓他也與之糾纏，而變成內部觀察者。反過來說，這個觀察者只能測量光子對的結合態(tài)。團隊進行了多次測試，每次在不同的時刻終止。他們將兩個光子視為一個結合的整體，測量它們的聯(lián)合偏振。每次實驗他們都確保兩個糾纏光子以相同程度偏振，但方式相左。不論實驗時間經歷多長，兩個光子總是保持完全相同的“抱團”。從外部看，這個迷你宇宙是靜態(tài)的，并且完全不發(fā)生變化。它表明，如果時間是量子糾纏的產物，那么惠勒和德維特發(fā)現(xiàn)的所謂的“時間問題”就迎刃而解了。 在過去的幾十年中，弦論也表現(xiàn)出支持時間本質虛幻這一點的。弦論于上世紀60年代開始發(fā)展，用于描述將原子內的基本粒子束縛在一起的強核力。在物理學家研究強作用力的過程中，他們冒出了一個想法，即當時被認為是宇宙中最小物質的亞原子粒子，實際上是由一些振動的“細弦”組成的。 這一看待自然基本對象的新方式產生了影響深遠的結果。人們發(fā)現(xiàn)弦論對那些像惠勒和德維特那樣希望結合廣義相對論與量子力學的人非常有用。人們需要這種統(tǒng)一的理論框架來解釋大爆炸后瞬間宇宙的樣子，此時所有的宇宙物質都被擠壓在一個極小的體積內。統(tǒng)一理論可以說出黑洞內核處發(fā)生著什么。（黑洞是恒星坍縮的結果：恒星在引力作用下收縮，將其物質壓入一個很小的中心中。） 在弦論出現(xiàn)前，物理學家在試圖聯(lián)立廣義相對論和量子力學時總是會遇到麻煩。聯(lián)立后的數(shù)學告訴他們，我們身邊空間中的無限小空間點內包含著無限大的能量——這基本上就是說我們不管在哪，都被黑洞包圍，這顯然是錯的。但是，弦論則認為任何東西都不能小過弦，因而回避了這個問題。這是說，它的方程無需擔心小于這一基本下限的空間區(qū)域，這就消除了那些會得出無限能量及其它不可能結果的難纏的數(shù)學。有了弦論，超大尺度與極小尺度的物理看來就可以共存了——至少弦論一度是成功了的。  不過弦的大小又引出了關于空間實質、隨之又引出時間實質的新問題。這是因為弦論認為，不論如何精心地設計，都沒有實驗能夠向我們展示在小于單個弦的尺度下發(fā)生著什么。IAS的弦論家內森·塞伯格（Nathan Seiberg）解釋說：“‘在小距離內發(fā)生著什么’是一個錯誤定義的觀念——那里空間也許存在，但我們無法測量它；也許那里根本就沒有可以測量的東西。”這意味著在某個極限下，空間也許不存在。因為愛因斯坦已經在他的相對論中表示過，時間不過是和空間類似的另一個維度，那么“如果空間概念在小間隔內變得曖昧，那么時間也會如此，”塞伯格如是說道，“人們經常會問：‘大爆炸前都發(fā)生了什么？’但我們看到的是，在宇宙創(chuàng)生之時，時間才開始有意義?！?/p> 塞伯格指出，這種模糊性讓弦論家隱隱感覺時間在基本層面上也許不存在，而我們對時間的感覺可能是由一些隱含的“基建材料”構成的，就像溫度是來自一群原子的運動那樣。一個單獨的原子并不具有一個溫度，熱和冷的概念只在你測量大量原子的平均速度時才有意義：速度快的粒子團比慢的具有更高的速度。類似地，也許存在某種基本“顆粒”，共同讓我們產生了時間體驗。但至于這種顆?？赡苁鞘裁?，呃，塞伯格如是說：“那就是‘六萬四千美金問題’了?！?/p> 更奇怪的是，弦論后續(xù)的發(fā)展顯示，時間之種播撒在實在（存在）的最邊緣。這一思想的根源來自于一個奇特的假想的宇宙模型。這個模型是上世紀90年代末由弦論家胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena，當時在哈佛大學）提出的。他是在尋找一個可以聯(lián)結量子力學和廣義相對論的數(shù)學關系，他認為可以運用弦論來達到這一目的。 馬爾達西那設想的宇宙形似一個罐頭，不過它的邊界設在無窮遠處。罐內的是弦和黑洞，其行為受引力控制；罐面放置的是一般的亞原子粒子，它們通過量子力學定律而相互作用。盡管馬爾達西那的罐頭宇宙聽上去和我們的不太一樣，但它讓他直觀地看出最深層的自然律是如何聯(lián)系在一起的。  在這一模型中，廣義相對論支配著罐內巨大的三維空間，而量子力學則控制著二維表面上排列的粒子。馬爾達西那的看法是，兩套定律在某種方式下是等效的，罐內展開的引力事件可以對應表面上的量子過程，后者就像前者投射到罐面的影子一樣。利用這一數(shù)學模型，馬爾達西那確實發(fā)現(xiàn)，對表面的每個量子過程，在罐內都有一個對應的事件。馬爾達西那等人發(fā)展的理論模型表明，糾纏在罐面的量子粒子可以通過在內部空間制造通道，或稱“蟲洞”，來改變它們的模式。這就說明了糾纏本身是產生空間和時間性質的基本宇宙過程。 空間和時間都是由量子糾纏產生的這一想法，也獨立地由溫哥華的不列顛哥倫比亞大學的弦論家馬克·范·拉姆斯敦克（Mark van Raamsdonk）做出了改進，他也研究了馬爾達西那的罐頭模型。他借助一個數(shù)學模型發(fā)現(xiàn)，如果逐漸削弱罐面粒子間的糾纏，那么罐內的時空結構也會開始退聯(lián)結。這意味著量子糾纏以某種方式扮演了讓空間和時間之線交織在一起的角色。沒有它，時空結構就會不復存在。 馬爾達西那的模型為“涉及到宇宙組分時，糾纏比空間和時間更基本”的論述提供了前所未有的支撐。它表明，時間不是出現(xiàn)在實在的最基層，而是生發(fā)于其中。但盡管物理學越來越多地顯露出時間是一場幻覺，將時間變化出來的作用力卻仍舊無從知曉。塞伯格說：“我的直覺是，我們需要的不只是將量子物理重做一遍，更需要一個乍一看完全荒誕不經的突破。只有時間才能告訴我們會發(fā)生怎樣的變革?！?/p> ——齊亞·梅拉里（Zeeya Merali） 譯注： [1] “六萬四千美金問題”：是美國1955-1958年間的一檔電視問答競賽類節(jié)目。參考英文維基百科。 [2] 基礎問題研究所：是美國的一個以支持、宣傳物理學和宇宙學等學科的基礎及前沿問題研究的組織。詳情可參見其官方網(wǎng)站。 該文章在 2016/2/13 14:08:55 編輯過 |
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