2010年3月5日星期五

连线科学:时间是什么?物理学家探究其终极理论

原文:Wired Science: What Is Time? One Physicist Hunts for the Ultimate Theory

译文:连线科学:时间是什么?物理学家探究其终极理论

作者:艾琳·彼芭(Erin Biba
发表时间:2010年2月26日 5:30 am
译者:
kiwi
校对:@cooladai;@lzudarrell;康城客官

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图:艺术家的多元宇宙想像图/贾森·托尔钦斯基(JasonTorchinsky

美国圣地亚哥(SAN DIEGO)——作为一个科学家,要想出名,就得去解决真正的难题。最近物理学家肖恩·卡罗尔就因为试着解开一个古老的、没有科学家能完全解释的疑团,人气上升到几近极客圈摇滚明星的地位。而这个疑团就是:什么是时间?
在今年的美国科学促进会(American Association forthe Advancement of Science)年会上,他作了关于“时间之箭”(the arrow of time)的报告;之后其他科学界同僚们在走廊里就把他拦下,纷纷表示对他的研究有极大兴趣。卡罗尔曾于2月19日与《连线》杂志在AAAS有过座谈,那时候他阐述了他的理论,还谈了为什么马蒂麦福来(Marty McFly的冒险经历不存在于真实世界中:因为时间是不可逆的。【译者注:Marty McFly,经典时光旅行电影《回到未来》中的角色;驾驶时间机器从1985年回到三十年前的1955


连线:你能从一个外行人的角度解释一下你的时间理论吗?


卡罗尔:我在努力理解时间是如何工作的,这是个巨大的有许多不同方面的问题。它们中许多可以追溯到爱因斯坦和时空,以及我们如何用时钟测量时间。但是我对时间的某个特性很感兴趣,这便是时间之箭:也就是过去不同于将来的事实。我们记得过去,但我们不能记得将来。存在着许多不可逆的过程。许多事件发生就像,比如你把鸡蛋做成煎蛋,但是不能把煎蛋转变成鸡蛋。



我们只是理解了一小部分。时间之箭是基于1870年代奥地利物理学家波尔兹曼提出的一个设想。他用熵来说明这个事件。熵只是事件无序程度的量度。且熵是呈增长趋势的 。这也是热力学第二定律:熵随着时间增加,事物变得越来越无序。 因此,如果你把文件整齐摆放在桌子上,你离开后返回,发现它们乱成一团也不必大惊小怪。但是如果这乱成一团的东西变成整齐摆放文件,倒是真的会让你惊讶。这就是熵和时间之箭。无序增加,熵便增加


因此,波尔兹曼理解这个问题,并且他解释了熵如何和时间之箭关联。但是他的解释还缺少一部分,亦即,为什么熵以低熵开始演变?为什么宇宙中文件会整齐摆放?基本上,我们能观察到的宇宙在137亿年前诞生,诞生之时宇宙处于精细有序的、非常低熵的状态。宇宙就像一个发条玩具,137亿年前扭动发条上足了劲,那么最终将逐渐平息下来。但是为什么它一开始总是上足发条的呢?为什么它处于这么奇怪的、低熵的、异常状态?


这就是我试图解决的问题。我努力理解宇宙学,为什么大爆炸会有那些属性。思考如下事件是有趣的:直接关联到我们的厨房和我们如何烹制鸡蛋,我们如何记忆时间的单向性,为什么产生先前效应,为什么我们生下来年轻且逐渐变老。这都是因为熵增加。这都是因为有了大爆炸的条件。


连线:所以大爆炸是这一切的开头。但是你推导出在大爆炸之前还存在某种东西。某种东西引发了大爆炸。它们又是什么呢?


卡罗尔: 如果你在冰箱里发现一个鸡蛋,你不会觉得奇怪。你不会说,“哇,一个低熵形态。它真罕见。”因为你知道这不是宇宙中唯一的物质。它是母鸡下的蛋,母鸡是农场的一部分,农场又是生物圈的一部分,以此类推。但是对于宇宙,我们无法做这些联想思考。我们无法说出宇宙是其他什么东西的一部分。但是这正是我要表达的。我 与现代宇宙学的一系列观点相一致,即“可观测的宇宙”并非局限于我们能看到的部分。它只是一个更大的多元宇宙(multiverse)的一部分。大爆炸并不是宇宙的开端。


如果这种观点正确的话,那将改变你想提的问题。不是“为什么宇宙始于低熵”,而是“为什么宇宙的一部分要经历一个低熵的阶段?”而这一问题可能更容易回答。【译注:此句求更佳翻译。】


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多元宇宙示意图/肖恩·卡罗尔


连线:在这个多元宇宙理论里,你假设在中间有一个静止的宇宙。一些小宇宙从中脱离,并且向不同的方向(或说时间之箭)传播。这是否意味着处于中间的多元宇宙中不存在时间?



卡罗尔: 试译:所以,这是值得指明的区别。在宇宙的历史中存在不同的时段,时间会告诉你哪一个时段是你在谈论的。然后就有了时间之箭,它给我们发展的感觉,随着时间流动或者移动的感觉。故而对于中间静止的宇宙,它有时间轴,但是没有时间之箭。那里没有未来和过去之分,一切事件都是彼此对等的。



连线:所以那是一个我们无法理解无法感知的时间?


卡罗尔:我们能够测量它,但是你无法感觉到它。你将不可能体验到它。因为像我们一样的物体将无法在那个环境中存在。我们依赖时间之箭而存在。


连线:那么,那样的宇宙中的时间到底是什么?


卡罗尔:甚至在空的空间里,时空仍然存在。物理学家可以准确回答如下问题“如果森林中有树木倒下,且周围没有人听见,那么树木倒下发出声音了吗?”他们说,“是的,当然,发出声音了。”类似地,如果时间演变没有熵变,且那里无人体验它,那么那里仍有时间吗?是的,仍有时间。即便在宇宙的那些区域内,这仍然是自然界的基本定律之一。只是发生在空的宇宙中的事件既没有因果性,也没有记忆,没有发展,没有岁月流逝或者新陈代谢或者诸如此类的东西。它只是随机波动而已。

连线:如果这个处于中间的宇宙只是在那里,而什么也没有发生;那么具有时间之箭的这些小宇宙究竟如何从中间的多元宇宙中脱离呢?因为这似乎是一个可衡量的事件。


卡罗尔:这个问题提得非常好。我尝试建立这套理论的目的就在于回答这样的问题,给出“为什么我们看到周围的宇宙时刻在变化?”的答案,也就是宇宙不可能真的保持静止状态-无论是静止一刻或是一直静止都不行。对宇宙来说,没有一个状态可以使其保持永久性不变。就算这么一个状态存在,那我们也肯定会进入状态并永远不再变化。这就像是有一个球从一个没有底的山上滚下来。那么这个小球就会同时存在于过去和将来的时间域内,一直滚下去。在这个过程中小球的中央部位是局部静止的-那个看起来什么都没发生的小区域。但根据量子力学原理,事件具有偶然性,可以波动性地突发。这就有了变化产生的几率。   
所以,我认为宇宙从某种程度上看像是个原子核,拥有半衰期,会衰减。如果你盯着它看,会觉得它绝对稳定,没有任何变化……什么也没有变……然后,砰的一声,就蹦出来个阿尔法粒子。换到宇宙来说,就是蹦出来另一个宇宙。



连线:那么在新产生的、沿时间之箭移动的宇宙中,如果存在不遵循物理定理的区域-比如时空异常区域,时间之箭也存在其中吗?



卡罗尔:有可能。时间之箭理论奇怪之处在于,你在物理学基本定律中找不到它。它就是不存在于那些地方。它只是我们所见到的宇宙所拥有的一个特性,却不是某个粒子单体遵循的定律的特性。可以说时间之箭是建立在所有物理学局部定律适用范围之外的。


连线:那如果时间之箭是基于我们的意识以及我们感知它的能力,像你这样对它有更多了解的人是否比其他人拥有更完整的时间体验?



卡罗尔不见得。对时间的体验是先有感知,后有理解。因此理解是不会感知产生影响的,它最多帮你将感知的范围扩大。 我的书里有一句圣奥古斯汀(St. Augustine)的名言,他说的大意是这样的,“直到你问我时间的定义,我才知道时间是什么,不过我无法给你答案。”所以我认为我们所有人知觉时间推移的方式非常类似。然后试图去理解它并不会改变我们的知觉。 所以我认为我们所有人都以非常类似的方式感知到了时间的推移,接下来对其理解的尝试并不会改变我们的感知。

连线 那么在我们无法感知事物的位置,比如黑洞或者位移速度很高的地方,时间之箭又怎么存在?



卡罗尔:这就回到了爱因斯坦的相对论。对任何一个在时空中移动的人而言,他们自身以及他们带在身上的时钟——包括他们的生物钟(biological clock), 比如心脏和心理认知——没有任何一个会感觉时间走得快一点或者慢一点。或者,无论如何,如果你身上带着精确的时钟,你的时钟将始终每秒钟走动一下(不快不 慢)。无论你是在黑洞里,现在在地球上,还是在随便哪个地方,都没关系,都会是这样。 但是爱因斯坦告诉我们的是你通过空间和时间的途径能够戏剧性地影响你感觉在流逝的时间。【译注:此句求更佳翻译。】时间之箭跟方向有关,而不是速度。一个重要的事实就是存在一个一致方向,由此时空中的任意处都可以说既是过去也是未来。

连线 那你要不要去跟迈克尔·福克斯说,回到过去拯救他的家人是不可能的呢?


卡罗尔:跳出时间旅行这个谜团的最简单办法就是承认这不可能。这很可能是正确答案。然而,我们仍然不能确信。我们无法绝对地证明这不可能发生。


连线:至少,你不可能回到过去。


卡罗尔:嗯,回不去。你可以很容易进入未来,这是没有问题的。 

连线: 我们要去未来啦!


卡罗尔: 昨天我走向未来,今天我走到未来了!



在书中我指出的一个事情是如果我们确实设想,假设回到过去是可能的,所有可能出现的悖论最终都会追溯到一个事实:如果你能回到过去,你就不能定义一个一致的时间之箭。因为你所想象的你的未来,是宇宙的过去。因此它不可能是处处一样的。这跟物理学原理并非不相符,但是这跟我们的日常生活经验却大大不相符,生活中我们做出的决定能影响未来,但是不能影响过去。

连线:所以,多元宇宙理论的一部分是我们自己身处的宇宙最终将变成空的、静止的宇宙。那么是否意味着我们自己身处的宇宙最终将会脱离出另一个宇宙?


卡罗尔: 时间之箭不会永远前进。宇宙的历史中有一个阶段,在这个阶段中你将从低熵状态变化到高熵状态。但是一旦你达到了你能达到的局域最大熵,那么时间之箭将不复存在。就比如这个房间。你将不可能再前进,再没有时间之箭了。我们拿这个房间作比喻。如果你取走房间里所有的空气并将其放置在角落里,房间的熵就成了低熵。接着你再释放空气,空气将逐渐填充整个房间,最终停止,不再发生变化。在空气变化的过程中,时间之箭存在;而一旦达到平衡状态,时间之箭就消失了。此时,理论上,新宇宙就将产生。

连线:所以在我们的之后有无数的宇宙,在之前也有无数的宇宙。 这是否意味着我们能够前去参观参观我们前面的那些宇宙?


卡罗尔:我认为不可能,但是我也不知道。事实上,我在加州理工大学(Caltech) 有一个博士后,他对宇宙间相互碰撞的可能性很感兴趣。这里我们把它们都称为宇宙。但事实上,说实话,它们是一些局域条件不同的空间区域。不是说他们是形而上学意义上的本质性不同,它们只是相隔遥远。你可能可以想象不同的宇宙相互碰撞并留下痕迹和可观察的效应。也可能这一切不会发生。如果它们在那里,也不会有任何信息表明它们在那里。如果这是真的话,要是这些描述变得有意义,唯一的方式是你假设多元宇宙不是一种理论,而是某种理论的预测结果。


如果你确定自己对引力和量子力学原理有非常透彻、清晰的理解,那么你可以说,“根据这些定律,宇宙是在大爆炸后诞生的。即使我无法观察到它们,这也是我的理 论的一个预测结果, 并且我已经使用其他方法检验了这些理论。” 现在我们还没走到那一步。我们还不知道如何建立一个好的理论,以及如何测试理论。但是我们展 望的课题将提出一个关于量子引力的良好理论,在我们的宇宙中进行测试,然后严谨地预测我们无法观测到的事物。

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肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)是加州理工大学的一位理论物理学家 他在宇宙进化的研究中专攻宇宙学理论、场论和引力。卡罗尔的最新著作《从永恒到现在:探求时间的终极理论》(From Eternity to Here: The Quest for theUltimate Theory of Time),试图将他的时间和宇宙理论带给物理学家,同样也带给普通大众。



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来源说明:本文1.0版本来源译言,译者的志愿翻译者团队对此作了校对。此为2.0版本

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