时间的本质——理论物理学家罗韦利的又一堂物理课

2019-05-05

05-03 09:56

撰文 | Melinda Baldwin

翻译 | 郑伟

校对 | 乌鸦少年

理论物理学家Rovelli说明了为什么对于“现在”的想法可能不像我们的大脑让我们所相信的那么简单。

罗韦利于2017年在巴西发表演讲(来源:Fronteiras do Pensamento,CC BY-SA 2.0)

理论物理学家卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli)因为他在圈量子引力方面的工作而为物理学家所熟知,圈量子引力是一种将时空量子化的数学理论。而他更广泛的吸引力事实上来自于《七堂极简物理课》(Seven Brief Lessons on Physics)一书,这本书向普通读者介绍了关于黑洞的物理学、广义相对论以及量子力学。

在他的新作《时间的秩序》(The order of Time)中,罗韦利探讨了他称之为“也许是物理学中现存的最大奥秘”, 也就是时间的本质。他提出疑问:“为什么我们记得过去而不是未来?” “当我们说时间’流逝’时,这到底意味着什么?当我倾听时间的流逝时,我又是在听什么呢?”

为了回答这些问题,罗韦利带领读者进行了一趟时间之旅,向他们讲述了关于时间,物理学家知道以及不知道的种种。在《今日物理》(Physics Today, PT)今年刊发的一篇访谈中,宇宙学家Anthony Aguirre称赞这本书“可爱、富有思想和诗意”,并认为这本书“将让所有读者都体味到时间的奥秘。”

PT:是什么激发你写一本关于时间的书呢?

罗韦利:在量子引力领域工作时,一个人必然会面对关于时间本质的问题。广义相对论告诉我们,两个事件间隔的时间是由引力决定的,因此引力的量子行为会影响时间。可能存在不同时间态的量子叠加,时钟也可能处于两个不同时间的量子叠加态上。所以在我的整个科学生涯中,我一直在思考时间的本质,以及由此引发的诸多问题。我认为现在时机已经成熟,是时候去尝试缀连起那些点滴的思考,写下我所认为的,关于时间我们理解和不理解的一切。

PT:在书的前言中,你认为“我们知识的增长导致了时间观念的缓慢解体”。对于时间均匀地从过去流到现在,再流到未来这一观点,有哪些进展或发现对此构成挑战吗?

罗韦利:我在书的第一部分谈到了几个进展。我们知道,在不同的海拔和速度下,时间以不同的速率流逝。我们知道,物理学的基本方程并不区分过去和未来。而且我们也知道,只有在我们周围相对很小的区域内,我们对现在的强烈直觉才是有效的;在浩瀚的宇宙中,并不存在客观定义的现在。这些都不是猜测,而是已经获得公认的物理学。

接下来是量子引力中的推测性研究,这些研究对时间的本质提出了进一步的质疑。例如圈量子引力理论的基本方程中不存在时间变量。这个理论描述的是物理变量的相对演化,而不是它们随时间的演化。

PT:如果宇宙本质上是非时间性的,那么你认为人类经验为时间的现象该作何解释呢? 时间是一种幻觉吗?

罗韦利:我不认为宇宙从根本上来说是非时间性的。这本书的主要观点是,没有哪个关于时间的单一概念是正确或错误的。我们所说的时间是一个丰富的、分层的概念,它有很多层次。时间的一些层次仅仅适用于有限的尺度和有限的范围。这并不会让时间成为幻觉。

比如说,上和下的区别不是一种幻觉,但在远离地球时这没有任何意义。对于星际旅行的宇航员而言,并不存在什么上和下。时间的许多性质与此类似,特别是我们人类自身关于时间的经验的某些方面与大脑工作的具体方式密切相关,事实上,我们拥有记忆,我们可以预见未来,等等。是人类的大脑而不是基础物理学决定了我们所谓的时间的流动,也决定了我们对于时间流动速度的感知。

PT:你的下一个研究项目是什么?

罗韦利:我总是有太多的研究项目在同时进行,我现在主要关注白洞。像黑洞一样,白洞也是爱因斯坦场方程的解,但其在时间上是反演的。我正在研究黑洞通过变成白洞来结束生命的可能性。

从黑洞的形成到蒸发,到转变为白洞,再到最终消散的时间,从外部观察时可以非常长,但是从黑洞内部测量则非常短。这是我与Eugenio Bianchi以及其他同事在最近的一篇论文[1]中提出的一个有趣场景,如果这种情形是正确的,那么我们在天空中看到的黑洞其实是恒星坍缩然后反弹出来,但是由于引力时间膨胀,我们看到这个过程是以一种极端缓慢的动作在进行。

PT:我们能观测到白洞吗?

罗韦利:嗯,也许吧。一种假设认为,白洞的形成导致了快速射电暴,也就是射电望远镜捕获到的神秘的超强信号。Francesca Vidotto和我最近提出了另外一种可能性[2],我发现非常有意思的是:在黑洞蒸发的尽头留下的小的白洞可能是稳定的,而且它们可能是暗物质的重要组成部分。

PT:你现在在读些什么?

罗韦利:《组织形态学》(Tectology),一本由Alexander Bogdanov所写的超棒的书。Bogdanov是20世纪初俄罗斯一位伟大的智者,他的想法预示了控制论、系统论和当代结构现实主义的诸多方面。(编注:组织形态学是Alexander Bogdanov用来描述包括统一所有社会、生命和物理科学的学科,方法是通过将这些学科视作关系系统,并寻找构成所有系统基础的组织原则。)

引文

[1]. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/aae550/meta

[2]. https://www.mdpi.com/2218-1997/4/11/127

原文链接

https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.4.20190219a/full/?from=singlemessage


《返朴》,致力好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁联袂担任总编,与几十位学者组成的编委会一起,与你共同求索。关注《返朴》(微信号:fanpu2019)参与更多讨论。二次转载或合作请联系fanpu2019@outlook.com。

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