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时间的秩序从何而来

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意大利著名物理学家卡洛·罗威利(Carlo Rovelli)并不是一个醉心书斋、不问世事的传统意义上的理论物理学家,他不仅在物理学领域独树一帜,也对科学史和科学哲学领域颇有研究,还与媒体关系密切。罗威利教授近年来著作颇丰,除了一些高深抽象的纯理论著作之外,还有一些完全面向大众,几乎不涉及专业知识,几乎不罗列任何数学公式的“科普著作”。
  过去几年里,除了几本有关科学史的书之外,卡洛·罗威利教授还出版过《真实与看起来的有所不同》(Reality Is Not What It Seems)、《七堂极简物理课》(Seven Brief Lessons on Physics)等完全面对大众讲述的物理学书籍。2017年,他出版了新作《时间的秩序》(The Order of Time),继续用通俗、流畅,并且极具个人风格的富有诗意的语言描述每一个人关于宇宙所能问出的最基本、也最深刻的问题:时间是什么?存在又是什么?

两种风格的“科普书”


  物理学家直接面对大众进行讲述,这种方式虽然看起来直接,但是考虑到大多数读者的学术水平和接受程度,作者有时就不得不改变自己惯常的表达方式,这对于作者来说,往往是一个极大的挑战。正是出于这个原因,近年来科学家们所出版的“科普书”渐渐有了两极分化的趋势。有些书籍几乎与专业书没有区别,让普通读者读来如同天书。例如牛津大学著名数学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)的名著《接近真实:宇宙法则导引》(The Road to Reality:A Complete Guide to the Laws of the Universe),全书超过1000页,全书公式密布,足以令大多数读者望而却步。而另一类,则几乎完全抛弃了公式和术语,以白话的形式让大众更能接受。
  以知名度来说,简单明了的科普著作非霍金教授的《时间简史》(A Brief History of Time)莫属,但是据说此书的初稿同样艰深晦涩。它出版后语言简单流畅,几乎没有让人望而却步的数学公式,实际上是编辑与霍金共同努力的结果。
意大利著名物理學家卡洛·罗威利

  相比之下,罗威利本人更像是一个文艺复兴时期的意大利科学家,不仅精于物理学研究,又涉猎广泛,精于文字,富有诗意,这让他所出版的一系列科普书的文字风格都极为独特,书中通俗流畅的文字风格并不是他勉强迁就读者,而是发自内心。
  《时间的秩序》延续了罗威利的风格,开篇就直指全书唯一的主题,也是作者多年来进行学术研究的核心问题:时间是什么?这显然是一个容易越说越让人糊涂的问题。正如本书的标题“时间的秩序”,所谓秩序,本来就是依照时间的先后顺序所确定,也就是说任何事情只要发生,自然也就带有一个时间的印记——想要确定事物的秩序,只需查看盖在其上的时间烙印即可——可是时间自身的秩序又是从何而言?从书名起,作者就试图扰乱读者的日常认知,甚至挑战语言逻辑,因为时间的本质确实与人们的日常感受相差太多。

人类探寻时间之旅


  时间的存在被视为理所当然,这让人类认识时间的本质尤为困难。即便如此,从文明的开端,人类就开始探寻时间的本质。在东方神秘主义哲学中,印度教以湿婆的舞蹈象征宇宙的运转和时间的运行;以逻辑学为基础的西方哲学家以另一种方式探讨时间的本质,古希腊哲学家亚里士多德认为,时间就是变化的量度。如果没有变化,自然就没有时间可言。也就是说,在“任何东西都没有”的“地方”,时间的概念根本就不存在。
  自亚里士多德以后,哲学家们对于时间本质的研究和辩论大多局限于形而上学的领域而难以拿出真凭实据。而真正对时间进行精确定义,还要等到大科学家牛顿的横空出世。正是牛顿几乎凭着一己之力建立起辉煌的经典力学体系,让物理学成为一门精密的学科,而“绝对时间”和“绝对空间”的概念,正是整个牛顿力学体系的基础。
  在牛顿看来,时间是绝对的、真实的、数学的。这种绝对意义的时间无法被感知,只能被推导、观察和计算。这种宗教意味浓烈的时间实际上只是牛顿个人智力的产物,但是对于当代大多数人来说,这样的概念似乎是天经地义的。
  罗威利提醒人们,这样的概念绝非自然,更不是人类“自古以来”就拥有的想法,只是因为牛顿力学的辉煌成功,才使“绝对时间”的概念深入人心。即使是在牛顿的同时代,不同意这种观点的也大有人在,例如物理学家莱布尼兹就认为,时间只是事物的顺序。
  时间之谜一直都是人类最大的迷惑,也一直都是物理学的核心问题。究竟什么是时间的流逝?究竟是人存在于时间之中,还是时间存在于我们自身?人类所面临的一切问题,最终都可以归结为对于时间的疑问:人类意识的本质,宇宙的起源,黑洞的命运……而这些问题的核心,依然是人类对于时间的无知。作为一个物理学家,罗威利将人类几千年来对于时间本质的各种思辨,简化为亚里士多德与牛顿之争,也就是时间的相对性与绝对性之争。
  人类对于时间的认识进一步加深,源于爱因斯坦。他在26岁和36岁分别发表的狭义和广义相对论,揭示了时间的弹性。在狭义相对论中,所谓“钟慢尺缩”效应,揭示了时间的流逝速度与物体的运动速度有关;而在广义相对论中,时空成为了一个整体,它的性质与质量息息相关。空间不再是一个空荡荡的盒子,时间也不是遍布宇宙的钟表走针,时空的性质取决于质量对于时空的影响。
  时间可以被拉伸,也可以被扭曲。人类认识到了时间的奇妙性质。但是,时间究竟是什么?根据广义相对论,在山顶上的时间过得更快,而质量的存在则让他周围的时间流逝减慢。根据广义相对论,物质更倾向于掉入时间流逝更缓慢的区域,这也正是引力的本质。从这个角度来说,并不存在遍布宇宙的“绝对时间”,时间具有其相对性。中标所显示的时间t,是它测量自身“本征时间”(Proper Time)的流逝而得到的一个数字,标志着在它附近的事情发生的顺序。也就是说“同时”的概念并不存在,或者说并不严密。地球上的人类讨论在数光年之外的星系中“此时此刻”正在发生什么事情毫无意义,因为每个人相对的时间流逝不同,“同时”的概念只是在距离相近、运动速度也接近的区域内才有意义。罗威利诗意地描述道,讨论“现在”并无意义,所谓贯穿宇宙的“现在”只是一种幻觉,就如同我们能够看到彩虹绚烂的颜色,但如果我们真的去追逐彩虹,会发现那里并不存在各种缤纷的颜色。
  问题依然存在。人类意识到了时间的相对性,但是对于时间的本质似乎仍然没有了解。时间的洪流难道不是真实存在的吗?事物的变迁,人的出生和死亡,乃至星系的发展,难道不正显示出了时间的流逝吗?在其相对性之外,这种永恒的时间洪流究竟来自何处?每个人都意识到,时间并不是一条线,而是一个具有明确方向的箭头。正是因为有了时间之箭,人类才能够区分过去、现在和未来,能够区分原因和结果、记忆和希望。时间这种不容人违背的方向性来自何处?
  时间之箭,是关于时间最大的谜团。第一个解开“时间之箭”之谜的,是奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)。玻尔兹曼认识到,时间之箭正是热量的箭头。热量的流动,造成宇宙整体的混乱程度不断增加,而衡量宇宙混乱程度的“熵”值也就不可避免地只能增大,不可能减小,这正是时间所流动的方向。也正是这种热力学上的区别,让过去有别于未来。热量流动的痕迹让人的大脑中只能记得过去而非未来,也注定了宇宙的未来只能归于死寂。
  时间自身具有相对性,时间与空间的结合,性质又会被质量所影响,时间之箭其来有自,看上去通过物理学的发展,人类已经完全认识了时间的本质。但是在这本《时间的秩序》中,罗威利想要对读者讲述的内容还不止于此。作者写道,熵值的增加,说明了整体无序性的增加,也就代表了时间的流动,但这也只是转移了问题,以无序性代替了时间箭头。
  为什么我们的宇宙起源于低熵状态,又要终结于高熵的状态?这取决于在宏观上,人类无法分辨的宇宙状态的多少。事物的有序性越高,熵值也就越低;而事物越混乱,人们就越无法分辨不同状态之间的差别,熵值也就增高。问题在于,这种宏观状态的描述,在微观领域并不存在,也就是说,在微观领域时间的箭头消失了。时间失去了方向,因果也就没有差别,过去与未来之间也没有了分别,时间也就无所谓流逝与否。

消失的“時间之箭”


  在《爱丽丝梦游仙境》中,爱丽丝问道:“永远是多长时间?”如果谈论“现在”没有意义,在微观领域“时间”的概念也并不存在,那么“存在”又有什么意义?要真正探究时间和存在的本质,人们还需要深入到微观领域继续探索。物理学家们需要从量子力学和相对论出发,从20世纪进入到21世纪的物理学最前沿。
  相对论与量子力学的结合是当代物理学研究最为艰难、也是最为重要的问题。把引力量子化,得出一个融洽的量子引力理论,将可能解释人类所观测到的所有物理现象,也可能为“时间”与“存在”赋予更加深刻的意义。人类虽然尚未看到这一“终极理论”出现的曙光,但目前,全世界在这个领域工作的理论物理学家们大体上分成了两派,其中占据主流地位的是所谓的“弦论”(String Theory)。所谓弦论,大体而言,是将量子力学和相对论应用到极小的时空领域,时空的形态也就发生了变化。时空不再是宏观领域中连续平滑的形态,而是化为各式各样在不断振动的弦。
  与之相对的,还有另外一派理论物理学家,他们将最初用于描述宏观状态的广义相对论应用于极小的时空领域,从而得出了时空另一种完全不同的形态。这一派物理学家所使用的理论被称为“圈量子引力”(Loop Quantum Gravity)理论——本书的作者罗威利正是圈量子引力理论的创始人之一。
  提出问题比解决问题更重要。罗威利并未把这本面向大众读者的书当作宣扬自己研究理论的工具,而是诚实地向读者们介绍物理学在探索前沿问题时所遇到的阻碍。在理解微观领域的“本质问题”时,物理学理论之间也存在着本质分歧。爱因斯坦眼中的时空具有弹性,是连续、光滑的实体,而从量子力学的角度看待时空,在微观领域它又不可能保持在宏观领域的连续状态。所谓的“一段时间”,并不连续,而是跳跃前进,也就是说,存在着最小的时间间隔。在微观领域,物理学家需要对时空本身进行“量子化”,所谓连续的时空,只是一种对于真正的时空进行模拟的数学手段而已。
  在罗威利所描述的量子世界里,时间不再是连续的一块帆布。在量子世界中的时间不再具有单一的方向性,它可以跳跃、波动和量子化……时空的量子性,还在于其自身具有不确定性,只有在发生相互作用时才会显示出确定的数值。那么,时间是不是宇宙最本质的属性?如果没有了时间,是不是一切存在也都失去了意义?罗威利解释并非如此。因为宇宙的本质并不在于永远不发生变化的“物体”,而是在于不断变化的“事件”,宇宙因为变化而存在着。罗威利相信,时间是变化的量度,但是即使没有时间,物理学也依然会存在,变化依然会发生。1967年,第一个没有时间的量子引力学公式惠勒-戴维特方程(Wheeler-Dewitt Equation)出现,它不以时间为量度,而是描述事物之间的相对变化。
  如果没有了时间,人们所谈论的过去、现在和未来自然也都失去了意义。人们日常所讨论的“真实”和“存在”似乎也都失去了意义。时间究竟是什么?人们仍然会想起爱因斯坦在悼念自己的挚友贝索时的发言:“现在,他又比我先行一步,离开了这个奇怪的世界。但这并不意味着什么。对于我们笃信物理学的人来说,过去、现在和未来之间的区别不过是一种幻觉而已,尽管这种幻觉有时还很顽固。”
  时间究竟是一种顽固的幻觉,还是一种“真实的存在”,它怎样影响着人们对于宇宙的感知?这个问题还没有答案。而罗威利带领着读者领略了人类探索时间之谜的历程之后,在全书的结尾处,他充满激情和诗意地写道:“人是其自身的历史。我们就是时间的流逝。”——也许我们所探索的时间之谜,就是我们自己。

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