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在整个宇宙中,时间不复存在?


时间是什么?这个看似简单的问题,却是物理学中最大的谜团之一。从相对论到量子力学,物理学家能找出时间的本质吗?


撰文 | Michael Brooks

翻译 | 张克文

审校 | 吴非 韩晶晶


公元4世纪的希波哲学家奥古斯丁曾经写道,他感觉他知道时间是什么,只要没有人问他这个问题。直到20世纪,关于时间的图景也鲜有改变,物理学家Carlo Rovelli曾说,时间“也许是最超乎寻常的未解之谜。在我们目前所知的最基本的层面上,没有什么能给我们类似于时间的体验。”


时间以一种均匀、普遍的方式流逝,不可阻挡地将我们从不能再访的过去运往无法预知的未来,这也是我们存在于这世上的最基本体验。然而我们最好的理论却认为它不是真实的。时间不会流动,过去、现在和未来无法被合理地定义,甚至不存在统一的时间来支配事件发生的次序。


法国艾克斯-马赛大学的Carlo Rovelli是众多寻求答案的物理学家之一。最新一代的实验给了我们比以往更深入地探究时间本质的希望。基于所有的这些,一种新的认知正在形成,我们也许能够更接近谜团的核心。或许我们不用过于担心我们对时间的无知。也许,在某种层面上,时间就是不可知的。


一个世纪前,阿尔伯特·爱因斯坦革命性地改变了我们对时间的认知。他的相对论赋予时间物理本质:作为时空的一部分,是真实事件发生在其上的可延展结构。


爱因斯坦的理论在数学上自洽,而且经过了实验的严格证实,但要将空间和时间捆在一起并将他们等同,这显然与我们的经验并不一致。确实,空间和时间都能够区分物体和事件。但是我们可以在空间中自由地穿行,至少在理论上是这样。而时间则强加了移动的方向,当它将我们从过去运往未来时,我们被困在无限的当下中。


如果时间的流动不在我们最基本的描述中,那它来自于哪里?现代对它的理解都是从热力学第二定律着手的。热力学第二定律描述了这样一个事实:宇宙中的熵,即宇宙总的无序度总是在增加。这个论证表面上十分有说服力:你不能够将锅里的炒鸡蛋复原成完整的鸡蛋,也没法将洒在地毯上的红酒重新装进酒杯里,因为这么做熵是减少的。许多物理学家将熵增解读为时间的箭头:一条宇宙的单行道。如果相对论为现实的表演提供了舞台,那么热力学就解释了为什么表演总是遵从同样的情节。




神秘的开端


本质上,剧情遵循统计学上的平均定律。高度有序的状态最不可能:想一想原子在盒子的一角整齐地摞在一起,这是多么不切实际的一件事。熵倾向于增加,因为我们是趋向于更有可能状态:例如原子在盒子中原子随机排列。当我们沿着一条道路向宇宙的起源回溯,我们实际上是走向越来越不可能的低熵状态。剩下的疑问是,为什么宇宙是从这样一个不太可能的状态开始演化的。


不要太着急。首先,没有证据证明,宇宙中总的熵是在增加的。也许熵增只是一个局域的特征,就像全球变暖中的寒流。其次,热力学第二定律只适用于封闭的系统,也就是说系统的总能量不变,同样的,宇宙是否是一个封闭系统还有待商榷。“宇宙是否在一个盒子中?” 来自牛津大学的物理学家Julian Barbour 问道,“这看上去并不合理。所有的证据都表明宇宙正在没有限制地膨胀。”如果事实如此,熵给出的限制也许不适用于宇宙。



涌现的时间箭头


因此,Rovelli和其同伴希望能超越热力学定律,找到令人信服的机制来理解时间。


他们的出发点是热力学起源于人为的假设,它使用大量原子统计平均的性质来避免处理单个原子的性质。这一平均过程暗示了原子固有的不确定性,这些不确定性最终构成了所有原子遵循的原理:量子理论。如果我们要寻找时间的答案,我们应该在量子力学中寻找。


艾克斯-马赛大学的Carlo Rovelli


量子力学和相对论是出了名的在很多事情上都不一致,所以在它们对时间的描述上找不到共同点也不足为奇了。在量子力学中的公式中,时间不像相对论中所描述的那种“宇宙可延展结构中的一个动态分量”。量子力学中的时间更符合我们的直觉,它是一个在宇宙之外存在的均匀流逝的时钟。


也许,粒子创造了时间而不是被时间支配。1972年,法国数学家 Alain Connes在代数中发现了量子版本的时间,他使用的是冯诺伊曼在上世纪三十年代为了探索量子理论而发展出的数学。Connes说:“我不知道它在物理中处于什么地位,也不知道它是如何与经典概念中的时间联系起来的。”


1994年,Connes在剑桥大学见到了Rovelli。那时,Rovelli刚刚写了两篇文章,论述时间在寻求统一相对论与量子力学的理论中的地位。Rovelli的想法和Connes的量子时间相吻合,他们随后展开了合作。


他们的核心论点是,时间箭头在微观量子物体(如原子、光子)与测量它们性质的宏观经典物体的相互作用中涌现。测量对于量子世界十分重要。在测量之前,我们只有关于量子物体动量和位置的概率。直到测量后,不确定性才会坍缩成经典的确定。


然而事实并不仅如此。海森堡不确定性原理说明我们对于量子世界的认识在测量后依然是受限的。我们对某个量的了解越精确,比如位置,我们就越难以确定另一个量,比如动量。既然我们的测量结果遵循某种概率分布的,在不同的情况下,我们测量的次序决定了它们的结果。Connes说:“物理中的可变性的本质不是时间的流逝,而是量子实验结果的‘不可重复性’。”


这意味着时间不是基本的。在量子世界没有时间的顺序;时间的顺序只出现在在将量子现象转化为可观测的经典现象的不可逆测量中。将此应用到热学系统,涌现的现象和热力学第二定律相符。Rovelli说:“这样的流动和时间有着相同的性质。”


这不是唯一一种认为时间源自量子不可知性的假说,另一种假说将时间起源和量子纠缠联系在一起。纠缠允许之前有相互作用的量子粒子瞬时传递相互的影响,这与我们直觉中时间和空间概念相悖。但是,我们同样需要更深入的思考:和显而易见的规律相悖也许是因为纠缠创造了时间。这个想法由Don Page和William Wootters在1983年首次提出,他们认为时间起源于量子物质相对于空间背景的分布。空间背景扮演了时钟的角色,由于量子叠加原理,空间背景可以同时存在多种分布形式,这个叠加态中的每一个元素都产生了一种不同的时间。



2016年,在牛津大学的Chiara Marletto和Vlatko Vedral回顾并扩展了这个理论,他们认为,纠缠程度各异的不同物质分布相当于不同熵状态的集合,从中也就产生了时间的流逝,但宇宙作为一个整体所有状态都是共存的,没有时间的流逝。Vedral承认这是一个“非常奇怪的”想法,但这也是我们需要去检验的观点。


这就是来自多伦多大学的理论物理学家Aephraim Steinberg的目标。他已经花了数十年来思考量子事件(比如隧穿)的持续时间。在隧穿效应中,电子这样的量子粒子可以穿过经典粒子无法逾越的势垒。在一些情形下,电子会挣脱原子穿过势垒,瞬间出现在势垒的另一侧。这不仅仅是理论上的想法,而是确实会发生的效应,这是现代电子学的核心。


根据从量子场论得出的,被科学界普遍接受的隧穿效应概念,这个过程根本不需要时间,也就是说电子比光速还快。“大多数人对这个问题都持十分谨慎的态度,认为我们不应该考虑比光速还快的事情的发生,” Steinberg说到。



隧穿时间


Steinberg指出,这个理论表明隧穿的原子造成了势垒两边区域之间的纠缠。因此,对两个区域独立的测量应该能够解释时间、空间和物质是如何联系在一起的、是否真的能有事情“瞬时”发生,甚至可能揭示量子纠缠与时间更为深层次的关系。“我认为在它们之间有直接的关联。” Steinberg说。


他的团队正通过周密的实验来探讨这个问题。最基本的想法是让超冷原子,也就是比绝对零度高十亿分之一度的原子,隧穿过由激光形成的高度聚集的电磁场势垒。“我们已经看见了原子的隧穿,” Steinberg说,“我们需要测量原子在势垒内待了多久。”


困难在于,没有标准时钟能够做到这一点。每一个原子都必须要有自己的时钟。现在,这个团队正试图用原子的内禀自旋属性来衡量它们在磁场形成的势垒中到底停留了多久。势垒的两边都要对自旋进行测量,答案将会揭晓原子穿过势垒所用的时间。Steinberg 说:“这些都是已知的技术,我们所要做的只是如何将它们拼接在一起以保证正常运行。”


然而即使这样的实验,以及Rovelli 和 Connes的提议真的表明我们所体验的时间流逝源于量子,关键问题仍然存在:量子效应如何和相对论中动态、形状可变但却不流动的时间相联系?我们对量子系统理解的加深将为我们带来新见解。例如,我们可以让原子钟处在两个不同状态的叠加态上,例如在不同强度的引力场中,根据爱因斯坦的广义相对论,两个状态下时钟走的速率会不同。Vedral 说:“这项实验很具有挑战性,但是我们很快可以提出这样的问题:同时经历着不同步的时间意味着什么?”



现实的结构


例如,我们可能发现处于叠加态的原子钟对时间产生干涉效应,就像一个光子穿过双缝屏会产生空间的干涉条纹,表明光子是从两个缝同时穿过一样。或者,和牛津大学的Roger Penrose很久以前所想的一样,引力会使量子叠加态坍缩。Vedral 说:“真实的可逆事件可能在那个层面上发生。那么时间之箭的方向就是任意的。”这可以提示我们“量子引力”理论是什么样的,时间的流逝是从何而来的。


 “也许都不是。”剑桥大学的哲学家Huw Price说。如果物理学告诉我们,时间的直觉特征,例如它在流逝,“现在”区别于过去和未来处于特殊地位,都不是现实结构的基本特征,那么也许对时间的最完整理解只能是物理学和心理学的结合。


Rovelli同意这样的观点,也许到最后,都没有任何一个普适性的解释能回答“时间是什么”。“当我们在思考时间的时候,我们倾向于将它想成单一概念,这显然是错误的。”他说。我们的经历有心理时间;时钟测量的流逝时间;爱因斯坦探索的相对时间;与熵增等价的时间;也许,现在时间源自量子不可知性。“这是一个很美的问题,因为它将很多事情都纳入了,” Rovelli说,“我并不认为我们找到了答案,但是在这个方面确实有进展。”


原文链接:

https://www.newscientist.com/article/mg23831740-200-quantum-time-is-this-where-the-flow-of-existence-comes-from/




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