在物理学中,时间是一样的。但对于你、我、他而言,时间沿同一个方向运动:未来、现在、将来。这种线性运动被称为时间箭头。一些物理学家认为,时间只会以这样的方式向前推进,因为人类和具有相似神经系统的其他生物都可以观察到时间的运动方向。
时间箭头的问题已经老生常谈了。但要明确一点,这不是时间存在与否的问题,而是运动方向的问题。许多物理学家认为,当足够微小的粒子(受量子力学原理的控制)相互作用,并开始出现经典物理学可以解释的表现时,时间问题就出现了。但是今天在《物理学年鉴》(Annalen der physic——曾发表过爱因斯坦关于狭义和广义相对论的重要文章)上刊登的文章中,两位科学家认为,重力不足以迫使宇宙中的每一个物体都遵循相同的时间方向——过去»现在»未来。而是因为有了观察者,才有了时间箭头。
这一切都要回到物理学的一个重要议题上来,即把量子力学和经典力学放在一起来探讨。在量子力学中,粒子具有叠加性,也就是说,一个电子可能存在于两个地方中的任一个,除非有人观察到它,否则没有人能肯定它的位置。电子的位置可以由概率表示,经过实验验证得出。
然而,当电子开始与许多物质(例如一束空气分子)相互作用,或者脱散成尘埃粒子、飞机和棒球等物体时,量子力学就不再适用了。经典力学登场,重力变得十分重要。加州大学伯克利分校的物理学家野村康则(Yasunori Nomura)说:“电子、原子的位置都是由概率控制的。”但是,一旦它们与更大的物体相互作用或者脱散成像棒球那样的物体时,单一电子的位置概率组合在一起,并且集合电子的叠加几率减小。这就是为什么你从来没有看到一个棒球消失在左边守场员的手套中,同时又弹升到上方台板上。
粒子物理学与经典力学相结合就是脱散。就物理学而言,此时的时间方向很看重数学原理。所以,大多数物理学家认为,时间箭头从脱散开始。
解释脱散现象最突出的理论是惠勒-德威特(Wheeler-DeWitt)方程。它可以追溯到1965年,当时一个名叫约翰·惠勒的物理学家在北卡罗来纳州的机场转机。为了打发时间,他让他的同事布莱斯·德威特(Bryce DeWitt)来见他。他们一起探讨了物理学原理,和数字打交道。两人得出了一个方程,将量子力学和经典力学衔接起来(德威特感觉更加矛盾了)。
这一理论并不完美。但它很重要。大多数物理学家同意,它是理解脱散现象和所谓的量子重力的重要途径。
这样一来,一切就变得更加神奇了。虽然方程中不包括时间的变量(神奇的地方还不止于此。时间本身是不能被测量的。在物理学中,它只能根据对象位置之间的相关性来测量……随着时间的变化……反正有点奇怪)。但是,它为宇宙的缔结提供了一个框架。
然而最近,有两位科学家在一篇文章中写道,在惠勒-德威特方程中,重力的影响有限,不能解释具有普遍性的时间箭头。生物学家、博学家,同时也是该文章的作者之一罗伯特·兰扎(Robert Lanza——生物中心创始人,提出空间和时间构成生物感官限制的理论)说:“如果你举一些例子,代入方程,那么这个方程式不能解释时间方向出现的方式。”换句话说,那些微小的量子粒子应该能够在重力发挥作用前保持其叠加性质。由于分子脱散为更大的物质后,重力太弱了,不能维持两个分子之间的相互作用,那么就无法强迫其在相同的时间方向上运动。
如果不靠数学,那就只能靠我们这些观察者来检验了。时间按照其规律推移,因为人类在生物学、神经学、哲学上都会经历这一过程。它就像薛定谔的猫的宏观概念。遥远的宇宙一角可能会有未来向过去的时间箭头。但是,当人类架起望远镜的那一刻,那个方向是符合过去向未来的时间箭头的。兰扎表示:“爱因斯坦在关于相对论的文章中指出,时间是相对于观察者而存在的。而我们的文章更进一步地认为,观察者实际上创造了时间。”
这未必是一个新理论。意大利物理学家卡洛·洛华利(Carlo Rovelli)在2015年发表的一篇有关ArXiv(一个开放物理网站)的文章中写道,这其实是存在争议的。野村表示:“争议在于如何判断‘观察者时间’这一概念是真实的。这取决于在不包括观察者的系统中,时间概念是否能有一个数学定义。”作者认为,任何方程都离不开观察者,因为方程本身就是由人默认执行和分析的。
野村说:“整个宇宙存在于一个我们称之为时空的媒介,对于这一事实,作者未能阐释清楚。所以当你谈论时空时,你也在谈论一个脱散系统。”他并不是说作者的观点是错误的。物理学仍然是一个不完全的科学。但他不同意作者从数学中得出的结论。和时间一样,物理学的解释都是相对的。
原文选自:《连线》
(编译:邓寒雨 编辑:钦君)