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物理学名誉教授 Jim Al-Khalili 探讨了“时间”这一概念。他首先将“时间问题”分解为四个核心疑问,并区分了物理定律中的“物理时间”与我们主观感知的“显性时间”。讲座的核心内容围绕牛顿的绝对时间观如何被爱因斯坦的相对论所颠覆展开,详细解释了时间会因速度和引力而变慢的物理现象。接着,他介绍了将时间视为第四维度的“块状宇宙”模型,并探讨了在统一量子力学与广义相对论时出现的“无时间”方程,引出时间可能是“涌现”属性的观点。最后,他讨论了时间之箭的来源(从热力学熵增到量子退相干)、时间的起点与终点,以及时间旅行在物理学上的可能性与悖论。
那我们来聊聊物理学家 Jim Al-Khalili 讲的“时间”到底是怎么回事。他把这个大问题拆成了几个小块,我们跟着他的思路走一遍。
首先,他区分了两种时间。一种是“物理时间”,就是物理公式里那个冷冰冰的字母't',它只是一个坐标,没有流动的感觉 [06:28]。另一种是我们每个人都能感受到的“显性时间”(manifest time),也就是我们主观体验到的时间,它会流逝,有时快有时慢 [01:42]。你有没有觉得,小时候一年特别漫长,长大后十年一晃就过 [02:28]?或者在牙医候诊室的半小时度日如年,而在派对上的半小时转瞬即逝 [03:26]?这就是我们的主观感受,但物理学关心的是那个客观存在的时间。
在爱因斯坦之前,大家普遍接受牛顿的看法:时间是绝对的,就像一个在宇宙之外滴答作响的终极时钟,不受任何事物影响,均匀地流逝 [04:53]。这个想法很符合我们的直觉。
但爱因斯坦彻底颠覆了这一点。他告诉我们,时间是相对的,你的时间流速和我的可能不一样 [05:41]。这听起来很玄,但这是物理事实。
爱因斯坦的第一个理论,狭义相对论,说的是:你运动得越快,你的时间就流逝得越慢。这个结论的起点非常奇怪,但又是经过实验验证的:无论你以多快的速度追一束光,你测出来的光速永远都是同一个值 [10:27]。这完全违背常理。为了让这个事实成立,唯一的解释就是,高速运动的人,他的时间和空间在我们看来都发生了变化。他的时钟会变慢,这叫“时间膨胀” [11:28]。
这不是空想,有铁证。宇宙射线撞击高层大气会产生一种叫μ子(muon)的粒子,它寿命极短,按理说根本来不及飞到地面就会衰变消失 [12:41]。但我们确实在地面上探测到了它们。为什么?因为它们以接近光速的速度飞行,从我们的角度看,它们内部的“生命时钟”走得极慢,所以寿命被大大延长,足够它们飞到地面了 [13:18]。
爱因斯坦的第二个理论,广义相对论,更进一步,把引力也加了进来。他发现,引力越强的地方,时间流逝得越慢 [17:15]。这个效应虽然微弱,但我们每天都在用。你手机里的GPS定位系统,天上的卫星因为所处位置的引力比地面弱,所以它们上面的时钟比地面的时钟走得快一点点 [18:00]。如果不把这个微小的差异校准回来,你的定位误差会越来越大,几天后就没法用了 [18:36]。所以,你头顶的时间确实比脚下的时间过得快,只不过差别小到你完全感觉不到 [18:41]。
基于相对论,物理学家们提出了一个叫“块状宇宙”(block universe)的模型 [20:06]。你可以想象整个宇宙的历史是一本书,每一页纸就是某一瞬间的全宇宙空间。这本书从第一页(宇宙大爆炸)到最后一页(宇宙的终结)都已经写好了。过去、现在、未来,都平等地、真实地存在于这本书的不同页码上,而不是“现在”才是唯一真实的 [28:18]。我们感觉时间在流逝,只是因为我们的意识像一个阅读器,正在一页一页地翻阅这本书。这个观点叫“永恒主义”(eternalism),虽然听起来有点宿命论,但大多数物理学家认为它最符合相对论的描述 [29:11]。
这个模型也解释了为什么不存在一个全宇宙统一的“现在”。根据相对论,两个事件对我来说是同时发生的,但对于一个高速飞过的观察者来说,可能就是一个先发生,一个后发生 [35:19]。既然“同时”都是相对的,那一个全宇宙共享的“此刻”也就不可能存在了。
接下来是一个更深层的问题:时间是不是宇宙最基本的东西?当我们试图统一描述微观世界的量子力学和描述宏观引力的广义相对论时,出现了一个非常奇怪的“惠勒-德威特方程”(Wheeler-DeWitt equation)。这个描述整个宇宙的终极方程里,竟然没有时间这个变量 [22:53]。这让一些物理学家怀疑,时间可能不是宇宙的基本构成,而是像水的“湿润”一样,是从更深层次的、没有时间概念的现实中“涌现”出来的属性 [23:53]。一个水分子本身谈不上湿润,但无数个水分子在一起就表现出了湿润的特性。时间可能也是这样。
还有一个大谜团是“时间之箭”:为什么时间只朝一个方向走?我们能记住过去,却不能记住未来;鸡蛋能摔碎,但碎鸡蛋不会自动变回完整的鸡蛋。奇怪的是,物理学的基本定律大部分是时间对称的,也就是说,如果你把一个过程录下来倒着放,它在物理上依然是成立的 [44:03]。那这种不可逆性到底从哪来?
最经典的解释是热力学第二定律,也就是“熵增原理” [45:39]。简单说,一个孤立系统总是会从有序走向无序。一杯清水里滴一滴墨水,墨水会散开,最后均匀分布,这是一种无序的状态。你永远不会看到一杯均匀的墨水自己聚集成一滴。宇宙也是这样,从最初高度有序的大爆炸状态,不断地变得更无序。时间之箭的方向,就是熵增加的方向。
Al-Khalili 教授还提出了一个可能更根本的来源:量子退相干(quantum decoherence) [52:44]。在量子世界,一个系统会不可避免地和周围的环境发生纠缠,它的“量子特性”会逐渐泄露到环境中去,这个过程是单向的、不可逆的。因为宇宙万物都处在量子层面,这种无处不在的、不可逆的纠缠过程,可能从最底层就为时间“设定”了方向 [53:16]。
最后,聊点好玩的:时间旅行。 去未来是完全可能的。根据相对论,你只要坐上接近光速的飞船去太空兜一圈,或者去一个超大黑洞旁边待一会儿,你的时间就会比地球上的人过得慢。等你回来,你可能只过了几年,地球上已经过去几百年了 [1:07:46]。电影《星际穿越》里就有这个情节 [1:09:08]。
回到过去就麻烦多了。虽然广义相对论的方程里存在允许回到过去的解,但这会引发著名的“祖父悖论” [1:10:36]:你回到过去,在你外祖父遇到你外祖母之前杀了他,那你妈妈就不会出生,你也不会出生。既然你没出生,那又是谁回去杀了你外祖父呢?这就形成了逻辑死循环。 为了解决这个悖论,有人提出“平行宇宙”假说,说你回到过去,其实是进入了另一个宇宙,你在那里做什么都不会影响你自己的历史 [1:12:46]。还有人提出“自洽性原则”,认为你就算回到过去,也只能做出那些最终导致了你所知道的历史的事情,你无法改变历史,因为历史已经包含了你的行为 [1:13:40]。但这两种解释都非常具有推测性,所以回到过去在物理上仍然被认为几乎是不可能的。
总而言之,我们对时间的直观感受和物理学揭示的时间真相之间,存在巨大的鸿沟。时间远比我们想象的要复杂和神秘。
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