2017-07-23博科園296評
本文為你用物理學(xué)的角度剖析時間，顛覆你的認(rèn)知。時間是否物質(zhì)化，時間是否是幻覺？
1.1時間的簡單歷史
200年前，富蘭克林提出了“時間就是金錢”。這句話在新世紀(jì)中依然體現(xiàn)著它的意義，時間在21世紀(jì)的意義，就像能源一樣重要。
互聯(lián)網(wǎng)時代出現(xiàn)后，地域的限制已經(jīng)不再存在，無論是北京還是上海，只要聯(lián)網(wǎng)，都能看到網(wǎng)站的同步更新，這意味著時間實際上已經(jīng)戰(zhàn)勝了空間。
而測量時間這一活動可以追溯到20000年前：冰河時代的獵人在棍子上或者石頭上劃刻痕用以標(biāo)記時間。大約5000年前，巴比倫人和埃及人設(shè)計了日歷，用以指導(dǎo)種植及其其他活動。
埃及的第一張日歷圖，圖自網(wǎng)絡(luò)
GPS衛(wèi)星會持續(xù)報告衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置以及其上原子鐘記錄的時間，而GPS接受裝置會處理來自至少4顆衛(wèi)星的信息，并且將其轉(zhuǎn)化為精確的地理坐標(biāo)，提供給需要的人。這種裝置要求很嚴(yán)格，只要一個衛(wèi)星的時間偏移百萬分之一秒，就會在GPS接收器上產(chǎn)生5分之1英里的偏差。
1.2感受時間
時間的本質(zhì)這一古老難題，不僅吸引了物理學(xué)家和哲學(xué)家的注意，還吸引了人類學(xué)家的注意。多余我們大多數(shù)人來說，時間不僅是真實的，還是我們所做一切的主人。
我們清楚的感受到自己被夾在過去與現(xiàn)在之間，或許這和一個基本的生物事實有關(guān)：我們的身體充滿了生物鐘，它們支配著我們什么時候覺得困，甚至什么時候走向盡頭。生物學(xué)家也開始逐漸揭開了生物節(jié)律的秘密。于是科學(xué)家們逐漸鎖定了大腦的特定區(qū)域，這些區(qū)域有助于我們感受時間的變化，所以我們開心時就會有時間過得很快的感覺。
歸根結(jié)底，時間作為三個空間維度的第四個維度，我們一直以來都對它懷著滿滿的敬佩。
第二章 時間的本質(zhì)
2.1時間是幻覺？
在你讀這句話時，你大概會認(rèn)為“此時此刻”，也就是現(xiàn)在，正在發(fā)生?！艾F(xiàn)在”給人的感覺很特別，不論你如何留戀過去，現(xiàn)在都是最真實的，我們有一種深入骨髓的直覺，認(rèn)為“未來”尚未確定，而“過去”不可更改。這種時間觀念，植根于我們的語言、思維和行為當(dāng)中。
盡管這種時間觀念非常自然，我們卻找不到任何科學(xué)依據(jù)支持這一觀念。物理學(xué)方程沒有告訴我們哪些事件是正在發(fā)生的，并且愛因斯坦的相對論指出，所有時刻都是平等的，都同等于“現(xiàn)實”，特殊的“現(xiàn)在”根本就不存在。如今，物理學(xué)中的時間和我們感受的時間已經(jīng)出現(xiàn)了一道鴻溝，一個合乎邏輯的結(jié)論呼之欲出——時間根本就不存在。
這個概念讓人大吃一驚，很難想象它能自圓其說，我們能看到種種改變，頭發(fā)變白等，都是某些屬性相對于時間而發(fā)生的改變，沒有了時間，世界就應(yīng)該完全停止。那么如果沒有時間，我們又將如何看到這些改變呢？
我們要解釋的，也就是這一點。盡管時間在基本層面上或許并不存在，但它可以在更高層面上產(chǎn)生出來——就像桌子觸摸起來是堅硬的一樣，哪怕它只是很多粒子的組合。（演生屬性是那些高層次具有而低層次不具有的屬性）時間，也許也是一種類似于堅硬的演生屬性。
2.2時間在物理學(xué)中的變革
經(jīng)典物理學(xué)假定，事件發(fā)生的先后次序，原則上能被所有觀測者認(rèn)同，因此在牛頓運動定律中，時間為世界上所有事件提供了一份完整的先后次序。不僅如此，時間還必須是連貫的，因此我們定義了速度和加速度。
從本質(zhì)上講，牛頓提出，這個世界生來就有一個超然的母鐘，母鐘客觀地將世界分割成時間的一個個瞬間。牛頓認(rèn)為時間的流淌給我們提供了一個箭頭，告訴我們哪個方向才是未來。
每一幀都可以推導(dǎo)出下一幀
直到19世紀(jì)末，玻爾茲曼推論出不論時間是正向流淌還是反向流淌，牛頓定律都同樣適用，因為時間本身并沒有內(nèi)置的箭頭，他提出，過去和未來的差別不是時間所決定，而是宇宙中物質(zhì)組織過程中的不對稱引起的。
隨后愛因斯坦廢除了絕對同時的概念。根據(jù)相對論，事件是否發(fā)生取決于你的速度。發(fā)生事件的真正舞臺不是時間，而是時空。到了1915年，他又提出廣義相對論，將狹義相對論擴展到了存在引力的環(huán)境中，傳統(tǒng)時間的處境就更加窘迫了。引力可以扭曲時間，因為這里的一秒和那里的一秒不是同一回事?？梢哉f，愛因斯坦讓時間在物理學(xué)中產(chǎn)生了第一次變革。
第二次變革就來到了現(xiàn)代物理時代，現(xiàn)代物理的最高目標(biāo)就是要統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)，創(chuàng)造出能同時處理物質(zhì)的引力和量子特性的理論——量子引力論。但時間成了絆腳石。
量子力學(xué)稱，物質(zhì)能擁有的狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出位置和速度之類的范疇。對物質(zhì)狀態(tài)的完整描述，由一個被稱為“量子態(tài)”的函數(shù)給出，物理學(xué)家可以通過這一函數(shù)給出實驗結(jié)果的概率。這種函數(shù)在某種意義上允許在兩個相互矛盾的結(jié)果得以共存。例如，在時間上，某個時間點你活著或是死了都是能同時存在的，這種幾率在時間中累加，而不是地點。
目前，在推導(dǎo)愛因斯坦方程時（把電磁學(xué)量子化），結(jié)果表明完全沒有時間變量，時間t就這么消失了。按字面意思理解這個結(jié)論——時間沒有真正存在過。
那么改變是怎樣引起的呢？本質(zhì)上講，改變源于物理體系之間的關(guān)聯(lián)。我們要做的就是描述兩個物體間的相互關(guān)聯(lián)，消去作為中介的全局時間。我們可以不把棒球的速度說成5米/秒，而用冰川的改變速度來描述它。不用時間，我們一樣可以描述改變。
各種關(guān)聯(lián)網(wǎng)
這種相互關(guān)聯(lián)交織成一張巨網(wǎng)，物理學(xué)家把宇宙的運行規(guī)律，總結(jié)成含有時間項的物理學(xué)定律，但我們不能因為時間給了我們方便，就把它當(dāng)做世界的組成部分了。就像錢一樣，我們不用以物易物，但錢本身不具備價值。時間也一樣，不過是方便而虛構(gòu)出來的東西，但它并不在自然界中真實有價值的存在。
2.3時間從未流動
時間可視為第四維這個事實并不意味著它和空間的三維一樣，它們以不同的形式存在于物理理論中。但許多物理學(xué)家相信在極小的空間和時間尺度上，空間和時間可能會變得沒有區(qū)別。
相對論告訴我們，事件的發(fā)生取決于你的相對位置和運動方向。如果你和我在一個相對運動中，對于一個事件，我可能會判斷為還處于尚未發(fā)生的未來，而對你來說這一事件可能存在于確定的過去中。所以，最直截了當(dāng)?shù)慕Y(jié)論就是，過去和未來都已經(jīng)確定?；谶@個原因，物理學(xué)家更喜歡把時間當(dāng)成總體上已經(jīng)布局好的全局時間，所有的過去和未來都已經(jīng)存在了。這個想法被稱為塊時間?？傊谖锢韺W(xué)家眼中，時間不會消逝或流動。
傳統(tǒng)時間觀和塊時間的觀點
我們在討論時間流逝時遭遇的困惑，主要源于時間流逝和所謂時間箭頭的關(guān)系。不可否認(rèn)世界上的事件構(gòu)成了一種單項序列。自然界充滿了不可逆的物理過程，所以熱力學(xué)第二定律在世界發(fā)揮了關(guān)鍵作用，也導(dǎo)致了時間軸上過去和未來兩個方向出現(xiàn)了明顯的不對稱。
物理的不可逆過程使得時間流動成了世界的一個客觀性質(zhì)。
時間的不對稱性有兩個方面可以讓我們產(chǎn)生時間在流動的錯覺。
第一，由于熵的概念，記憶的形成是單向過程——新的記憶增加了大腦的熵值。我們也許可以把這一單向性理解為時間的流逝。
第二，可能是我們對時間流逝的理解和量子力學(xué)有某種關(guān)系。根據(jù)海森堡不確定性原理，對于一個特定的量子態(tài)，有很多不確定的未來。比如，在觀測者發(fā)現(xiàn)電子在某個方向運動時，一個特定的現(xiàn)實就從數(shù)量巨大的一系列可能性凸顯出來。那么對觀測者而言，可能性轉(zhuǎn)化為真實性。開放的未來變成了確定的過去——所謂時間之流。
2.4 時間是離散的
100多年前，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，直到原子的發(fā)現(xiàn)，我們才知道物質(zhì)是離散的組合。那么時空呢？空間是我們所想的那樣連續(xù)，還是由離散的塊組成。對于時間而言，是否有可能由離散的塊組成。
過去幾十年的研究讓這個問題取得了巨大的進步。圈量子引力理論預(yù)言了時空的確由離散的塊組成。
量子理論和廣義相對論都已經(jīng)被實驗完美證實，但實驗沒有探索到這兩者都起重要作用的情形。當(dāng)把兩者結(jié)合起來時，發(fā)現(xiàn)了一個巨大的漏洞：計算假定的幾何空間都是連續(xù)平滑的。于是我們找了兩個原理，（背景獨立和微分同胚不變性）合并后，出現(xiàn)了圈量子引力理論，結(jié)論就是空間如同原子一樣，體積是可區(qū)分的塊?？傊嚎臻g不連續(xù)，只存在特定量子單位的面積和體積。隨后我們表示出了體積的量子態(tài)，再模擬了時間的量子態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)正如空間是由自旋空間離散的幾何結(jié)構(gòu)一樣，時間也是離散的重組網(wǎng)絡(luò)。（這段話看不懂就算了吧）。
第三章 時間與宇宙
3.1時間開端
因為我本人就是研究弦論的物理學(xué)家，所以對這一章節(jié)格外的認(rèn)真。
弦論認(rèn)為，大爆炸并不是宇宙的開始，而僅僅是前一個狀態(tài)演化的結(jié)果。
弦論的基本想法是基本粒子不是點狀的，而是一維物體——弦。量子弦的尺寸是有限的，如果不是量子效應(yīng)的話，弦還能被切割成無質(zhì)量的點粒子。但由于海森堡的不確定性原理，最終會被規(guī)定在極小的長度下。其次，量子弦即使沒有質(zhì)量，也可能會有角動量，并且量子弦要求在通常的三維空間之外還有額外空間維度存在。
此外量子弦還能體現(xiàn)出一些新的對稱性。（由于讀者專業(yè)知識有限，這里不再贅述）總之，弦論的T對偶和D膜等都指向了一個性質(zhì)：弦不會坍縮成無限小。
于是，弦論物理學(xué)家開始嘗試猜想大爆炸前的宇宙。根據(jù)T對偶和時間反演對稱性組合起來，我們可以得到的是：大爆炸前的宇宙幾乎是大爆炸后宇宙的鏡像。
大爆炸理論，圖自網(wǎng)絡(luò)
如果未來宇宙將永遠(yuǎn)存在，宇宙中的成分隨之變得越來越稀薄的話，那么過去它也是向前無限延伸的。在無限久的過去，它幾乎空無一物，只有一些微薄的氣體，自然的作用力非常微弱，以至于粒子間沒有任何作用力。隨著時間的流逝，作用力強度增大，某些區(qū)域開始吸引周邊的物質(zhì)，最終形成黑洞。各個黑洞讓區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)和外界分開，讓宇宙斷裂成一個個不連通的碎片。
在黑洞內(nèi)部，時間和空間交換了角色。當(dāng)密度、溫度和曲率達(dá)到弦論所允許的最大值時，這些量的演化反轉(zhuǎn)，開始減少。這個反轉(zhuǎn)的時刻稱為大爆炸，這些黑洞其中之一就是我們的宇宙。
另一種模型是近年才提出的火劫模型。
火劫宇宙
我們的宇宙處于高維空間的一端，而一個“隱形膜”處在另一端，彼此吸引，偶爾會碰在一起，導(dǎo)致額外維度縮小到零然后再增長。大爆炸就對應(yīng)于兩個膜相撞的時刻。在這個火劫宇宙中，碰撞時周期性的，兩個膜可能會撞擊，然后彈開，再接近。膜在遠(yuǎn)離時膨脹，在靠近時收縮。實際上，我們的宇宙目前的加速膨脹可能就預(yù)示了下一次撞擊。
碰撞膜
那么時間到底是何時開始的？科學(xué)研究目前沒有給出一個決定性答案，但至少有兩種以上的理論支持，宇宙以及時間在大爆炸前就存在了，如果其中一種是正確的，那么宇宙便是永遠(yuǎn)存在的，并且不會終結(jié)。
當(dāng)然，這里還可以提一些其他的預(yù)言，例如有人說，宇宙微波輻射可以預(yù)示著時空誕生于神秘的四維黑洞等。
宇宙微波輻射
第四章 時間旅行
假如時空扭曲得很厲害，以至于一些世界線構(gòu)成了閉合環(huán)路，它們就會成為通向過去的通道。如果精確地沿著這樣一條閉合的類時曲線走一周，你就會撞到以前的自己。
閉合類時曲線
在非常極端的情況下，時空能彎曲到一定的程度，從而創(chuàng)造出從現(xiàn)在回到過去的路徑。
蟲洞！通過蟲洞的入口是球形的，它是一個進入四維通道的三維入口。進入蟲洞不是讓你在一個時刻消失，另一個時刻被重新組裝。而是你的時間和其他地方不同步而已。當(dāng)然，要想得到蟲洞，你需要負(fù)能量，也就是我們所說的暗能量，否則蟲洞必然會坍縮。所以，制造這樣的時間機器是不太可能的。
不過在時間旅行上，采用較為保守的“時間延緩”卻是有可能實現(xiàn)的。兩種方法，第一，近光速行駛，這點通過狹義相對論大家都知道。第二，借助引力。引力同樣可以延緩時間的流逝。
中子星的表面引力非常強，以至于這些星球上的時間相對地球延緩了30％，在黑洞表面，時間相對于地球是靜止的。如果一個宇航員毫發(fā)無損地從黑洞邊緣回來，那么他就已經(jīng)跳躍到了遙遠(yuǎn)的未來。當(dāng)然，穿越到過去就只能依靠蟲洞了。（反向穿越也可以到達(dá)未來）
如果能創(chuàng)造出一個穩(wěn)定的蟲洞，就可以立刻用它來進行時間旅行，一個穿越了蟲洞的宇航員可能會發(fā)現(xiàn)，自己不僅身處宇宙的某個角落，而且還穿越了時間。
當(dāng)然，有可能空間本身就存在蟲洞這樣的結(jié)構(gòu)，比如來自大爆炸的遺存，果真如此的話，超級文明或許正在利用它。另一方面，蟲洞也許在非常小的尺度自然存在，比如普朗克尺度。
就這樣，時間的論述結(jié)束了，物理學(xué)中，時間的謎底正慢慢地揭開......
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