作者 阿曼達•格夫特（Amanda Gefter）
譯者 王士杰
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時(shí)間，對我們來(lái)說(shuō)是最為熟悉的。然而當你試圖精確地了解它的時(shí)候，就會(huì )發(fā)現它只是為一連串層出不窮、難以解釋的疑問(wèn)。為什么時(shí)間顯得總是在流動(dòng)，又是什么使它與空間相區別。時(shí)間到底是什么？這個(gè)問(wèn)題足以使你的神經(jīng)元失火，然后發(fā)出咝咝聲和冒煙。
然而，并不是只有你一個(gè)人有這樣的感覺(jué)。物理學(xué)家們長(cháng)期來(lái)一直在努力去理解時(shí)間究竟是什么。事實(shí)上，他們甚至不能完全肯定時(shí)間到底是否存在。在他們對
幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直在探索著(zhù)把愛(ài)因斯坦的廣義相對論（它描述大尺度上的引力理論）與量子力學(xué)（它描述極小尺度下的粒子行為）相互協(xié)調的一種新的引力量子理論。研究的所以如此困難的的原因在于，它們兩者是以?xún)蓚€(gè)相互并不兼容的時(shí)間觀(guān)點(diǎn)為基礎的。位于加拿大安大略省滑鐵盧的園周物理研究所的李•斯莫林(Lee Smolin)說(shuō)，“我愈來(lái)愈相信，時(shí)間的問(wèn)題既是量子引力理論，又是宇宙學(xué)的關(guān)鍵。”
根據廣義相對論，時(shí)間與空間一起形成了四維時(shí)空。時(shí)間通道不是絕對的——不存在宇宙時(shí)鐘，它會(huì )讓宇宙的鐘點(diǎn)會(huì )在滴答聲中流逝。正好相反，從某個(gè)參照體系的框架下的進(jìn)入到另一個(gè)框架時(shí)，時(shí)間是不一致的，一個(gè)觀(guān)察者體驗為時(shí)間，而另一個(gè)觀(guān)察者則體驗為是時(shí)間和空間的混合物。對愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō)，時(shí)間是對事物運行的一種實(shí)用的度量參數，沒(méi)有什么特別的。
在量子力學(xué)里卻不是這樣來(lái)看這個(gè)問(wèn)題。在量子力學(xué)里，時(shí)間發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵性的作用，它跟蹤了時(shí)刻在變化著(zhù)的用來(lái)解釋微觀(guān)世界的各種概率，而這些概率已被編碼為量子系統的波函數。波函數所隨之演化的那個(gè)時(shí)鐘，它反映的不是在某個(gè)特殊參考框架下的時(shí)間，而恰恰是愛(ài)因斯坦千方百計要去推翻的那個(gè)絕對時(shí)間。由此可見(jiàn)，盡管相對論把時(shí)間和空間作為一個(gè)整體來(lái)處理，而量子力學(xué)卻把宇宙分成兩個(gè)部分：即一個(gè)是正在觀(guān)察的量子系統，另一個(gè)是量子系統的外部經(jīng)典世界。在這斷裂的宇宙里，時(shí)鐘總是逗留在量子系統之外的。
某一方必須讓步。事實(shí)上，宇宙是沒(méi)有任何外部的，根據定義，就提示著(zhù)量子力學(xué)應該予以放棄——對許多情況，這個(gè)定義提示時(shí)間不是基本的。例如，20世紀90年代，物理學(xué)家朱利安•利巴伯(Julian Barbour)就建議過(guò)時(shí)間絕對不能存在于研究宇宙的量子理論之中。雖然如此，物理學(xué)家們不愿意拋棄量子理論，因為已被證明，量子理論對很多物理現象都能夠做出非常準確的預測。物理學(xué)家們需要一種不要時(shí)間的量子力學(xué)的研究方法。
單一的量子事件
法國馬賽大學(xué)的物理學(xué)家卡洛•羅威利【2】(Carlo Rovelli) 的創(chuàng )造正在于此。在過(guò)去的一年里，他和他的同事們制定了一個(gè)方法，可以把時(shí)間上的多量子事件壓縮成為可以用沒(méi)有時(shí)間參考體系來(lái)描述的單一事件。（見(jiàn)《物理評論 D》，75卷，第084033頁(yè)）
這是一個(gè)令人感興趣的成就。雖然羅威利用來(lái)處理時(shí)間的方法只是許多種方法里的一種，工作在量子引力的其他模型上的其他研究人員對此問(wèn)題也可能具有不同的看法，可是幾乎所有研究這個(gè)問(wèn)題的物理學(xué)家都認為，時(shí)間是找到終極理論的關(guān)鍵性障礙。羅威利的方法似乎只是差一點(diǎn)點(diǎn)就可以克服這一障礙了。他所用的模型是建立在加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家詹姆斯•哈特爾(Santa Barbara)的廣義量子力學(xué)的研究以及羅威利本人在量子系統早期工作的基礎之上的。
羅威利的想法是：假定我們有個(gè)以‘自旋’（一種量子屬性，依據不同的測量方向其值為“向上”或“向下”）為特點(diǎn)的電子。譬如說(shuō)，我們要做兩次連貫的‘自旋’測量，一個(gè)是在x方向，另一個(gè)在y方向。測量可能結果的概率將依賴(lài)于執行測量的次序。這是因為一次測量會(huì )瓦解波函數的不確定狀態(tài)，而促使它置于設定的狀態(tài)。第一次測量會(huì )改變粒子的狀態(tài)，它影響了第二次的測量結果。
譬如說(shuō)，我們已經(jīng)知道電子在 x 方向是“向上”自旋的。如果要在測量了x方向的‘自旋’后，接著(zhù)就測量y方向的‘自旋’，我們就會(huì )發(fā)現原來(lái)在x方向上的“向上”沒(méi)有起變化，可是在y方向上的‘自旋’就有了50:50的“向上”或“向下”的比例而不再確定。然而如果先測量的是y方向上電子的‘自旋’，則它對x方向的‘自旋’的測量結果同樣也會(huì )產(chǎn)生了不確定的擾動(dòng)。也就是說(shuō)，在“向上”或“向下”兩個(gè)測量方向上都會(huì )產(chǎn)生出了各有50:50的概率。
如果測量在時(shí)間上的重新排列改變了電子自旋的概率，那么我們怎樣才能計算事件序列的概率而不再參照時(shí)間呢？羅威利說(shuō)，關(guān)鍵在于改變宇宙中處于在觀(guān)察之中的量子系統和經(jīng)典外部世界（測量裝置通常被認為是安放在經(jīng)典外部世界里）之間的分界線(xiàn)。把這個(gè)分界線(xiàn)移位，我們就可以把測量裝置也包含為量子系統的一部份。
在這種情況下，我們不再問(wèn)“電子的自旋向上和自旋向下的概率為多少？” 而是問(wèn)：“發(fā)現測量裝置處于特殊狀態(tài)的概率有多少？” 這時(shí)測量裝置就不再使波函數坍縮，而是電子和測量裝置在一起，共同為一個(gè)單一的波函數所描述，只有整個(gè)組合的單一測量才會(huì )引發(fā)波函數的坍縮。
時(shí)間到那里去了？時(shí)間的演變已經(jīng)轉變?yōu)榭臻g中可以觀(guān)察到的事件之間的相互關(guān)系。羅威利說(shuō)，“用一個(gè)相類(lèi)似的比擬，例如，我可以告訴你，我驅車(chē)從波士頓出發(fā)先經(jīng)過(guò)芝加哥再經(jīng)過(guò)丹佛到達洛杉磯。這里我是在時(shí)間里來(lái)敘述事件的。然而我也可以告訴你，我是沿著(zhù)地圖上的所標的路線(xiàn)驅車(chē)從波士頓驅車(chē)到洛杉磯的。這樣我就把前一種描述中關(guān)于測量在時(shí)間中的發(fā)生的信息替換成了可觀(guān)察的事件彼此如何聯(lián)系的詳細信息。
羅威利的研究方法產(chǎn)生量子力學(xué)的正確概率似乎可以證明他的直覺(jué)知識是正確的，這種直覺(jué)知識就是可以把宇宙動(dòng)力學(xué)描繪為有相互關(guān)系事件的網(wǎng)絡(luò )，而不再是時(shí)間中的演變。澳大利亞悉尼大學(xué)的物理哲學(xué)家德•格爾斯(Dean Rickles)說(shuō)：“羅威利的研究工作使沒(méi)有時(shí)間的觀(guān)點(diǎn)成為更為可信，更加與標準的物理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)相一致。”
把量子力學(xué)重新寫(xiě)成與時(shí)間無(wú)關(guān)的形式，再與廣義相對論結合起來(lái)就不那么費勁了，這時(shí)得到的宇宙就沒(méi)有什么必要以時(shí)間為基本量了。然而如果時(shí)間并不存在，為什么我們會(huì )這樣似乎明白無(wú)誤地感覺(jué)到它呢？究竟時(shí)間是不是僅是幻覺(jué)呢？
羅威利說(shuō)，情況確是這樣，但這里有一個(gè)物理解釋。十多年以來(lái)，他與 巴黎法蘭西學(xué)院數學(xué)家阿蘭•孔涅(Alain Connes)【3】一起工作，認識到，為什么沒(méi)有時(shí)間的現實(shí)世界會(huì )導致時(shí)間概念的出現呢？他們把這種設想稱(chēng)為熱時(shí)間假設，此種假設提示時(shí)間是作為統計效應而出現的，與此相類(lèi)似，將大群分子的運動(dòng)加以平均就得到溫度的概念。(《經(jīng)典和量子的引力理論》，11卷，2899頁(yè)Classical and Quantum Gravity, vol 11, p 2899）
設想一個(gè)盒子里的氣體。原則上，我們可以跟蹤每一個(gè)分子在每時(shí)每刻的位置和動(dòng)量，從而獲得在這個(gè)環(huán)境里微觀(guān)狀態(tài)的總體知識。此時(shí)，并不存在所謂的“溫度”；與此相反，而我們所具有的只是分子千變萬(wàn)化的排列?？墒歉檶?shí)際狀態(tài)下的所有的信息是不可行的，但我們可以把微觀(guān)表現平均起來(lái)使之形成一個(gè)宏觀(guān)的描述。我們可以凝聚關(guān)于分子動(dòng)量的全部信息成為一個(gè)單一的量，它們的平均值，這就是我們常說(shuō)的溫度。
根據阿蘭•孔涅和羅威利的理論，上面的假設，一般來(lái)說(shuō)也可以用于宇宙。這時(shí)，我們就要跟蹤更多的要素，我們不僅要跟蹤需要處理物質(zhì)的粒子，而且還要跟蹤空間本身及引力。在我們把這些浩瀚的微觀(guān)安排平均化以后，所出現的宏觀(guān)特征就不是溫度，而是時(shí)間了。羅威利進(jìn)一步說(shuō)，“時(shí)間的流動(dòng)實(shí)際上是不存在的，存在著(zhù)時(shí)間的流動(dòng)只是我們對現實(shí)非常近似的認識。”他還說(shuō):“時(shí)間是我們無(wú)知的結果。”
時(shí)間的流動(dòng)實(shí)際上是不存在的，它只是我們對現實(shí)的近似的了解。感知的時(shí)間流動(dòng)，只是我們對實(shí)際的非常近似的認識。時(shí)間是我們無(wú)知的結果。
宇宙時(shí)間
在紙面講講這些理論似乎聽(tīng)起來(lái)都很不差，但有沒(méi)有任何證據來(lái)說(shuō)明這種想法是正確的呢？阿蘭•孔涅和羅威利采用簡(jiǎn)單的模型試驗他們的假設。他們從尋找彌漫在天空中的宇宙微波背景（CMB是cosmic microwave background的簡(jiǎn)寫(xiě)）輻射來(lái)開(kāi)始研究，宇宙微波背景的輻射是宇宙大爆炸后所遺留下的余熱。宇宙微波背景只是統計狀態(tài)的例子：平均了它的各個(gè)細節，我們可以說(shuō)，宇宙微波背景輻射實(shí)際上是均勻的，它的溫度還不到3K。羅威利和阿蘭•孔涅把它作為宇宙統計狀態(tài)的一個(gè)模型，加進(jìn)其他的信息如可以觀(guān)察到的宇宙的半徑等，他們希望能觀(guān)察到有什么明顯的時(shí)間流程會(huì )產(chǎn)生。
他們所得到的是描述一個(gè)小宇宙的一序列的狀態(tài)，若把這一序列的狀態(tài)擴大與標準宇宙方程所描述的完全相同的式樣時(shí)，其結果正好與物理學(xué)家所稱(chēng)為的宇宙時(shí)間是相匹配。羅威利說(shuō)，“我感到很震驚！孔涅也是這樣，他獨立地思考著(zhù)相類(lèi)似的想法，而且非常驚訝地看到可以這個(gè)結論在一個(gè)簡(jiǎn)單的計算中工作。”
為了把熱時(shí)間的假設用于宇宙，不管怎樣物理學(xué)家們還是要用到量子引力理論。盡管如此，用宇宙微波背景那樣的簡(jiǎn)單模型所產(chǎn)生實(shí)際可行的結果是有發(fā)展前途的。羅威利說(shuō)：“量子引力的一個(gè)典型的困難之一在于理論上怎樣理解不再出現時(shí)間變量，在這里，我們開(kāi)始看到，沒(méi)有時(shí)間變量的理論不僅仍然可以講得通，而且實(shí)際上它也能夠描述我們大家都能看到的、存在于我們周?chē)默F實(shí)世界。”
更重要的是，熱時(shí)間假說(shuō)提供了另一個(gè)有趣的結果：如果時(shí)間只是這個(gè)世界統計描述的一個(gè)人為制品，那末，對這個(gè)世界不同的描述應該會(huì )導致不同的時(shí)間流。確實(shí)存在著(zhù)一個(gè)很清楚的情況：存在著(zhù)事件視界【4】。
一個(gè)觀(guān)察者在作加速度運動(dòng)時(shí)，他創(chuàng )建了一個(gè)作為一條分界線(xiàn)出現的事件視界，這個(gè)事件視界在宇宙中劃出一個(gè)區域，只要觀(guān)察者繼續加快，那末從這個(gè)區域里發(fā)出的光線(xiàn)就永遠也不能達到他。這個(gè)觀(guān)察者所描繪出宇宙統計狀態(tài)與另一個(gè)沒(méi)有事件視界的觀(guān)察者所描繪出完全不同, 因為他正在失去離開(kāi)他的事件視界之外的信息。他所感覺(jué)到的時(shí)間流動(dòng)應該由此而有所不同。
然而，使用廣義相對論，也有別的方法來(lái)描述他（作加速度運動(dòng)的觀(guān)察者）對時(shí)間的體驗。由他居住的空間－時(shí)間幾何（決定于他的視界），確定了一個(gè)所謂本征時(shí)間——如果他攜帶著(zhù)一個(gè)時(shí)鐘的話(huà)就會(huì )記錄下這個(gè)時(shí)間流。熱時(shí)間假設預言觀(guān)察者的本征時(shí)間與觀(guān)察者的統計時(shí)間（即根據阿蘭•孔涅和羅威利的思想所提出的時(shí)間）的比值，就是觀(guān)察者所測量到的在他周?chē)臏囟取?/font>
每一個(gè)事件視界都有一個(gè)與它有聯(lián)系的溫度。最著(zhù)名的例子就是黑洞【5】的這個(gè)事件視界，與這個(gè)事件視界有聯(lián)系的溫度就是黑洞所發(fā)射的霍金輻射溫度【6】。同樣地，一個(gè)在作加速度運動(dòng)的觀(guān)察者所測量到的溫度與人們熟知的盎魯輻射【7】是有一定的聯(lián)系的。由于羅威利和阿蘭•孔涅所導出的溫度與黑洞的盎魯輻射溫度和霍金輻射的溫度是相符合，從而進(jìn)一步鞏固了他們的假設。
意大利羅馬大學(xué)的物理學(xué)家皮埃爾•馬丁內蒂（Pierre Martinetti）說(shuō)：“熱時(shí)間假說(shuō)的確是非常美妙的思想。但我認為它的實(shí)施仍然是有限制的。目前，人們只是在時(shí)間觀(guān)念已經(jīng)有效時(shí)，只是驗證了羅威利和阿蘭•孔涅的假設并不自相矛盾。但是它還沒(méi)有應用到量子引力理論中去。”
另外一些人極力主張在采用所有的方法來(lái)解釋時(shí)間性質(zhì)的時(shí)候，需要特別謹慎。里格爾斯（Rickles）說(shuō)，“說(shuō)時(shí)間是幻覺(jué)是錯誤的。盡管時(shí)間的觀(guān)念是可變形的或者是非基本的。然而來(lái)自人的頭腦活動(dòng)的意識總不能僅僅是幻覺(jué)吧。
所以如果時(shí)間真的被證明是非基本的，我們?yōu)樗龀龅挠质鞘裁茨?？羅威利說(shuō)，“對我們來(lái)說(shuō)，時(shí)間是存在的，而且還在流動(dòng)著(zhù)，其要點(diǎn)在于這個(gè)美妙的流動(dòng)在微觀(guān)世界里變得更為復雜。”
在現實(shí)的最深層次上，我們仍然不知道，時(shí)間是否將會(huì )經(jīng)久不衰，還是要像薩爾瓦多達利時(shí)鐘那樣會(huì )逐漸地融化掉?；蛟S像羅威利和其他人所認為的那樣，時(shí)間完全只是一個(gè)觀(guān)點(diǎn)而不是現實(shí)中的一個(gè)性質(zhì)，只是你對現實(shí)正在消失信息的結果。所以，當你試圖真正了解什么是時(shí)間的時(shí)候，如果感到傷透腦筋，就請你不妨放松一下吧！即使你真的認識到時(shí)間可能會(huì )簡(jiǎn)單地消失的時(shí)候，也許你也只能是這個(gè)樣子吧！
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