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“什么是时间”物理学家现在很少研究的问题

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发表于 2016-9-8 22:09:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
我有一个记忆,一个生动的记忆,看着我年迈的祖父站在医院的台阶上,向我挥手告别。几乎可以肯定的是,这是一个梦中的记忆。在我父母的相册中,有整个大家庭的照片——姑姑、叔伯,还有堂兄弟们。我们所有人曾经一起前往家族位于纽约北部的农场,庆祝我祖父母结婚五十周年纪念日。在其中一些照片中,就有我和我的兄弟,两张小脸蛋混在一群微笑的大人中间。我记得那一晚令人兴奋的场景,虽然我们被送到了最顶楼的床上,但是我们听到大人们在楼下愉快地交谈着,直到很晚才睡下。我已经不记得后来发生什么事了,也没有祖父被送去医院的记忆。许多年以后父亲告诉我,祖父在那天晚上因为生病被送往急诊室,最终逝于手术台上。

祖父向我挥手告别的记忆依旧刺激着我,使我渴望一个为更加合法的命令所掌控的世界。在这个世界中,我们与我们所爱之人的联系不再受时间和空间的束缚。早期科学和哲学的一个核心目的就是满足这种渴望:摆脱束缚我们的时间与生命之轮。也正是在这时间与生命之轮中的我们,才可以一瞥法国出生的作家乔治·斯坦纳所言的“身边的永恒”。人类的时间感是这样的:我们被它束缚,我们被裹挟在这个从过去到未来的潮流中,既不能使它停止,也不能使它放慢脚步。

“什么是时间”物理学家现在很少研究的问题

“什么是时间”物理学家现在很少研究的问题


时间的流动无疑是我们清醒时体验到的最直接的方面之一。这对我们如何看待自己,以及我们认为我们应该怎样过自己的生活来说是至关重要的。我们的记忆会帮助我们解决“我们是谁”这个问题;我们还有其他的思想,可以帮助我们继续向前延伸,使我们认识到自己可能成为什么样的人。当然,随着我们在现代科学意义上对时间的理解越来越复杂,这种理解应该可以为我们提供更有意义的见解。
然而,今天的物理学家很少辩论什么是时间,以及为什么我们会以这样的方式来体验时间——回忆过去,但无从回忆未来。取而代之的是,研究人员建造的时钟越来越精确。目前最精准的时钟纪录保持者位于美国科罗拉多州天体物理学联合实验研究所,它通过测量锶原子的振动来计时,可以精确到150亿年误差不超过1秒。150亿年,几乎就是目前我们已知的整个宇宙的年龄了。它的精确程度令人印象深刻,但它并不能回答“什么是时间”。


在物理理论以外,对这一问题的声明不具任何意义。时间的流动仍然会作为我们内在体验的一部分而真实存在,只是这种真实存在与一个质子或者一个星系经历的时间的流动截然不同。我们有关时间流的体验是不是类似于观看现场比赛?此时所有的事情都发生在当下,而不是发生在之前或者之后。这种体验是不是就是对“现在”周围存在的事物的忽隐忽现的意识?或者说就像是在看一场电影,所有的永恒都已经被录制好了,而我们正在看的只不过是一幅幅静态图像不连续的序列,被我们有限的感知器官愚弄,使我们误以为所有的动作都是那么流畅?


牛顿和爱因斯坦的世界理论为我们提供了些许指导。在牛顿和爱因斯坦的世界理论中,宇宙都是永恒的“块体”宇宙,其中时间这一维度与空间这一维度没有什么不同,所以一切的一切都是突然之间产生的。爱因斯坦的方程允许不同观察者对时间间隔的持续时间有不同见解,但时空本身是连续统一的。因此,电影《星际迷航》中倍受爱戴的斯波克先生就成了一个一成不变的舞台,在这个舞台上,全世界的故事逐一上演。在量子力学中,如同在牛顿力学和爱因斯坦的相对论中一样,支配微观世界的物理定律在时间内也是同样向前进或向后退。即便是在像肖恩·卡罗尔这样的理论家创新性的猜测中(肖恩·卡罗尔目前供职于美国帕萨迪纳市的加州理工学院),也把时间看作是产生于一种更为原始的、永恒的状态的紧急现象。他们更关心的是时间做了什么,而不是时间感觉上像什么。时间流在当前的物理学理论中似乎就没有出现过。


在过去几个世纪的大部分时间里,自觉意识一直被认为是超越了物理学范畴的一个很难解决的问题,因而被我们一推再推,因为我们还有其他紧急的事务要处理。随着科学家的研究一方面越来越深入原子核内部,另一方面越来越深入星际空间,意识本身以及我们有关时间流的体验和我们永恒的数学理论之间鲜明的对比一直悬而未决,被我们束之高阁。这一切是如何发生的?科学不是认为应该以体验为基础,以对其自身进行检验吗?这种脱节可能有助于解释为什么很多学生不仅没有“学到”物理学,反而很显然被物理学击退了。他们在由物理学家绘制的世界图景中又处于什么位置呢?生在何处,死在何处,而时间流又在何处呢?

“什么是时间”物理学家现在很少研究的问题

“什么是时间”物理学家现在很少研究的问题


早在公元前4世纪,原子论者、希腊哲学家德谟克利特已经指出了这里提到的难题。通过仔细的观察和推理,他得出了这样的结论:感官可以愚弄我们,而我们正是通过来自感官的证据才得出这样的结论。这一认识导致了有关我们如何了解世界上的事物的一个世故的哲学理解,那就是,我们不能天真地相信自己的感官,而是要通过经验主义的测试。这一观点已经取得了巨大的成果,然而长期以来没有得到人们的重视。

体验现象,比如我们有关时间流逝的内在知觉,是一个属于认知科学和哲学的范畴。外部世界,传统上是物理学的范畴。然而,以这种天真的方式将内、外部范畴分离开来,是有误导性的。毕竟,思考物理学的正是我们的大脑。最终,双方通过努力找到了它们之间的桥梁,如果通过隐喻来形容的话,那就是找到了这无数种方式之间的联系。正是通过这些方式,人类在这个世界上体验到自身。
一个有用的连接比喻是把大脑看作一个讲故事的引擎。在《物理学和哲学:在现代科学革命》(1958年)中,德国物理学家维尔纳·海森堡将这样的事实归咎于语言和我们对世界的感知是相互交织的。顺着这些线索追溯,你就会发现,我们的感觉器官和大脑是数千年漫长进化的产物。我们的DNA正是直接通过血缘、历经无数岁月传承下来的一种记忆。我们的基因、我们的个人记忆以及我们的语言结构本身,都是我们获得的关于世界的知识的编码形式。但是,这些知识是以实际体验那极其有限的范围为基础的。



语言是无限变量,可以变化成各种各样的形式,既可以是隐喻的,也可以是令人回味的,更可以是如梦如幻而又神奇的。语言也可以是充满逻辑而又直接的,可以是非常正式而又组织严密的。那么,对谈论超出了我们日常体验的世界来说,什么样的语言形式是最有用的呢?什么语言可以带我们进入原子的核心,带我们突破星系的边缘,并在这些尺度上描述时间的流逝将世界不可阻挡地向前拉动呢?海森堡认为,现代物理学中使用的逻辑和数学的语言才是精确的,因为这种语言是如此严格和正式化。当建立一座进入黑暗的桥梁时,你必须通过谨慎而又确定的步骤来进行。但是,我们不仅要弄明白身处这个世界之中的我们(而不只是我们身外的这个世界)如何如何,还想了解我们是如何体验世界,我们是如何做到的。这就要求诗歌和讲故事的语言更加流畅和令人回味。


“现在”是有关正在发生的事情的一种局部理论,是用从感官腹地发送来的琐碎信息拼凑起来的当前的认知科学告诉我们,我们的记忆是一种由我们的大脑创造的故事,是由感官输入给大脑的原始信息形成的,以我们过去的生活经历为基础被分成不同的模式,并且受DNA的嗜好引导。注入这些记忆中的一些直觉,就是我们对这个世界感觉的基础:三维空间流畅的几何形状,时间前后之间清晰和明显的区别,以及时间流动。当前的物理学对空间和时间的平滑度以及时间的心理流动的平滑度提出了质疑,甚至提出了这样的问题:为什么我们记住的是过去,而不是未来?

这个问题看似荒谬,却牵动了问题的核心。


考虑到我们对“现在”的体验,第一眼看上去这似乎是一个很简单的事情,“现在”就是在时间上一个很明确的点。对此,我们似乎可以很肯定地预见,那个特定的“现在”正从未来走向我们,然后又离我们而去,成为过去。我们对“现在”的体验是由我们的近期记忆和当下的感官知觉(包括看到的、听到的、感受到的、尝到的和闻到的)混合在一起建立起来的。这些感官知觉不是瞬时的,而是由受到刺激的神经末梢发出的信号。这些信号被发送到大脑,而大脑本身是一个没有全局时钟的动态网络,就像伊斯梅尔·卡达莱1981年出版的小说名字一样,是《梦幻宫殿》:一个庞大的官僚机构,充满了尔虞我诈,它收集来自动荡不安的“省份”的所有以“苏丹”为梦想主题的情报,希望以此占卜出他们的意图。“现在”是焦虑缠身的“苏丹”的大脑,是有关正在发生的事情的一种局部理论,是使用从感官腹地发送来的琐碎信息拼凑起来的。

因为我们的大脑工作得太快,我们通常不会感到不久前的过去和不久的将来是混杂在一起的,但也有那种大脑拼命努力地运转以跟上节奏的时刻。这就是当棒球投手投掷出爆炸式的快球时,球似乎突然之间跃过了投手和击球手之间的空间,而击球手可以打出一记有力的平直球,这时的球似乎呈一条直线一样射出的原因。如果球移动得过快,而使大脑无法进行跟踪时,大脑就会
为该运动编造出一个完全不同的故事。


有一次当我坐在巴尔的摩市康敦球场的右侧露天看台上,在距离本垒约120米开外观看比赛时,明尼苏达双城队的卡比·帕克特击出了一个直奔我而来的球。在我还没来得及有任何动作之前,在我能够有意识地感知球正在越过我们之间的空间之前,球已经到了我的面前,随后落入了后几排的人群中。作为一名物理学家,我知道,从开始到结束球都遵循着平滑的抛物线轨迹。可是在那天,球似乎在棒球棒上发生了飞跃,在击中球的声音到达之前,在我头脑中对它的意念追上它之前,球已经到了。

我们对时间流的体验,也有可能就像我们对色彩的体验一样。物理学家会说,作为这个世界的一种固有属性,色彩并不存在。光有各种波长,但它们没有“色彩”这一固有属性。在这个世界上的物体,吸收、发射和散射各种波长的光子。只有当我们的眼睛与这片辐射的大海中的一小部分相交,而我们的大脑又对其进行了加工时,“色彩”才出现了。这是一种内在体验,是一个命名的过程,是我们的大脑苦苦思索、试图弄清楚事物真相的活动。

因此,时间的流动可能是我们的大脑创造出的一个故事,试图使这一片混乱变得合乎情理。在2013年的一篇论文中,加州理工学院的物理学家伦纳德·曼罗迪诺及南加州大学的物理学家托德·布伦更进一步地认为,具有记忆特性的物质上的事物,往往会随着时间的热力学箭头对自身进行排列,这是由大量粒子的行为定义的。根据这一理论,我们记得住过去而不是未来也就不奇怪了。大系统的本性都是向着熵增加的方向前进(熵是对混乱程度的一种度量,通常人们能够体会到的熵,如一个热的或冷的物体,有与其周围所处环境取得平衡的倾向),而熵的增加意味着过去的记忆是动态稳定的,而未来的记忆是不稳定的。
按照这种解释,“我们无法看到未来”这一事实不是因为这样做不可能,而是因为这就如同看见一块破碎的窗户自行恢复,或者一杯温凉的茶从其周围空间的原子中捕获能量从而自发沸腾一样,不太可能发生。这在统计学上是极其、极其不可能发生的。

我们也可以在视觉上把自我看作从混乱中走出来的一个故事。由英国雕塑家安东尼·葛姆雷创作的巨型雕塑《量子云》(1999年至2009年)坐落在伦敦,紧邻千禧巨蛋。它是由钢棒以致密的、三维的模式构建而成,以一种半随机的模式排列,在其中心汇集成一个朦胧的人物形状。观看者很自然地就能辨识出这一人物形象,但是,从不同的视角来看,每个人看到的都各不相同。那么,在云中的“我”到底是谁呢?
同样,我们的自我意识实质上来自我们的记忆,而且这种记忆似乎是连续而持久的。然而这些记忆必须成为一个故事,这个故事是由大脑从一些结构松散的事物中发展出来的,是从之前、现在和之后没有严格锚定的一片混乱之中发展出来的。
葛姆雷在其艺术作品中使用的术语“量子”,指向的是物理学。正如美国物理学家理查德·费曼在其1942年的博士论文中指出的,量子力学的时间演化规则可以这样重新解释:在从起点到终点的过程中,像电子一样的粒子会按照量子跃迁的规则穿过超过了那种微观混乱的平均值,沿所有可能的路径行进。这种观点认为,这个世界的历史记录丰富到可以肆意挥霍的程度,而且每一个历史记录都是永恒呈现的,即便对我们来说这可能是无法察觉到的。在如今在基础物理理论中,费曼的“历史求和”解释已经成为一个标准的工具,甚至在与理论物理学相去甚远的领域也可以被用到。在谷歌搜索上输入与“历史求和”相关的另外一个术语“路径积分”进行搜索,得到的匹配记录有近50万条。


如果费曼的方法能够得出良好的实验结果(事实上,它确实能够得出这样的结果),那么,是不是就暗示着所有这些历史记录都是真实存在的呢?大多数物理学家认为,他们正在努力地按照宇宙的本来面目去理解宇宙,而不是简单地开发那些除了能够证明我们本身的聪慧外,什么也揭示不了的计算技巧。他们中很少有人把每一个可能的量子路径看作是其本身的、真正的现实。
宇宙是由一系列静态的瞬间构成的,就像是被扔进鞋盒里的一堆无序的照片
那么,为什么我们记住的是过去,而不是未来呢?也许答案是这种现实在最小尺度上的极其不可预测性和不确定性。在现代物理学家的眼中,即便是真空也是沸腾的。迄今,我的整个职业生涯都花费在了试图通过理论物理的镜头一窥大自然的真谛上,我对自己认为“大自然在其本质上可能就是乱糟糟的一团”的想法不再退缩。现在,在我们中间似乎开放了自由的一线希望,不是单纯地将不可预测性等同于人为的自由意志,而是提醒我们,我们的自由问题还没有解决。

加拿大安大略省圆周理论物理研究所的李·斯莫林认为,科学家必须改弦更张,把时间的流动看作是真实的,并以此为基础建立新物理学的殿堂。英国物理学家朱利安·巴伯所持的立场截然相反,认为时间的流动是幻觉,宇宙是由一系列静态的瞬间构成的,就像是被扔进鞋盒里的一堆无序的照片,每张照片都是包含了整个世界的一张快照,一个包含了万事万物的独特配置:行星、星系、大黄蜂、人。巴伯将所有可能的瞬间集合起来取了一个令人回味的名字:“堆”。

因为“堆”中的每一个瞬间都是某一时刻的整个世界,它包含的内容与所有其他的瞬间都形成对照, 所以“鞋盒”中还包含有这种瞬间集合的一种隐含的网络,也就是这种交互关联的分支线状网络。顺着其中一条分支追溯,你就会感受到一个清晰的时间流。大多数的线会沿着没有理性或没有意义的孤立的道路前行,但是有极少数的线以及它们附近的线,会沿着交互耦合的路径前行。我们可以说,此类路径讲述了一个故事,或者说它们包含有对过去的每一步的有意识的
记忆。这些交互耦合的线构成的家族是强大的,而孤立的、不连贯的线是脆弱的,对其附近的线起不到任何强化作用。
迪·特蕾西创作了两段延时视频,很好地解释了该理念。两段视频均超过1分钟,包含几乎相同的几千张图像。在第一段视频中,时间顺序被打乱;第二段视频中,是按照原时间顺序进行的。
第一段视频让人很难跟上,因为你什么也抓不住。但是,如果你仔细看第二段视频,就会发现从第35秒至第45秒,揭示了一个多条线索交织的故事。有一些人被警察包围,一辆救护车到达现场,然后镜头调转180°;在视频的第45秒处,另一个警察到达现场。鉴于日期、地点和大致的时间,这段视频在时间排序上应该是一直向前的,而要找出更多的细节,就要从警方的报告中去找了。第二段视频中按时间排序的图像可以让我们在该图像处集合,也就是从巴伯所谓的“堆”中抽出一条连贯的叙事线索,并对其含义做出更深的推断。而这些,在第一段视频中是没有的。
我们忽略了一个事实,那就是从内心来说,科学的理论化和讲故事都是由对死亡的恐惧和对永恒的渴望驱动的。
巴伯所谓的“堆”让我想起了我在父母的东西中发现的一张照片。当我发现照片时,他们都已经垂垂老矣。幸运的是,母亲在有生之年告诉了我这张照片上的事。这张照片是在纽约的一家夜总会拍的,当时,他们都只有20多岁,还没有结婚。当时正值第二次世界大战期间,照片中他们的朋友都穿着制服,像父亲一样,他们都是商船船员。那一晚,父亲穿得像个舞男,很显然,当晚他不当班,是出来玩乐的。母亲非常年轻,抽着一支香烟,看上去就是一个天真的少女。而围在桌子旁的其他人正准备出海,前往北大西洋执行一次护航任务。拍完这张照片的一周之内,围在这张桌子旁的那些穿着制服的人都死去了。


对我来说,这张照片带给我的记忆和意义是多层次的。看到这张照片,我的父母肯定会对他们的那些朋友感到悲伤。那是些从未见过我的人,在我出生之前就被时间流带走的人。这种对战争中大量死亡的直接经历,有助于解释我成长的这个家庭经历的沉默。现在我知道,这些沉默都充满了回忆。如今再看这张照片,我明白了父母之后的选择:父亲离开了商船,买下一个农场。一个都市男孩投入了大海的怀抱,然后又离开了大海,远远地定居下来。在这张照片中,我想我能够看到一丝原因:对这些朋友的记忆全都遗失在了北大西洋上。我能理解父亲的焦虑,在这个
凶险的世界上,他需要站在一块踏踏实实的土地上。父亲终其一生都在给我们讲故事,从而使他不至于被遗忘。

他的一生完全演绎了古希腊的毕达哥拉斯一样的波澜起伏,只不过经历不同而已。就像加莱亚诺所说,他之所以讲故事,是出于对死亡的恐惧。我们倾向于将科学与其他领域分隔开,想象一个量子波函数或一组相对论场方程,能够表达出“时间”的一个本质上完全不同的方面,而不是在古老的家族故事中体现出的那种时间。在这个过程中,我们忽略了一个事实,那就是从内心来说,科学的理论化和讲故事都是由对死亡的恐惧和对永恒的渴望驱动的。
在我被时间流带走之前,我想和诸位再次分享我最后的一抹记忆,那时的我还是个小孩子。我坐在我们家农舍客厅的地板上,在一缕温暖的阳光里,注视着阳光里的微尘,轻柔而混乱地飘着。这些微尘完全是一个个小小世界,我的那条名字叫“国王”的狗,在旁边沉沉地睡着。我们过去是——现在是——将来也会是——永远的最好的朋友,永远生活得平平静静。


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