作者 阿曼達•格夫特（Amanda Gefter）
譯者 王士杰
http://www.yuzhoutanmi.cn/html/ShiJianKongJian/ShiJianLvHang/867.html
時間，對我們來說是最為熟悉的。然而當你試圖精確地了解它的時候，就會發(fā)現(xiàn)它只是為一連串層出不窮、難以解釋的疑問。為什么時間顯得總是在流動，又是什么使它與空間相區(qū)別。時間到底是什么？這個問題足以使你的神經(jīng)元失火，然后發(fā)出咝咝聲和冒煙。
然而，并不是只有你一個人有這樣的感覺。物理學家們長期來一直在努力去理解時間究竟是什么。事實上，他們甚至不能完全肯定時間到底是否存在。在他們對
幾十年來，物理學家一直在探索著把愛因斯坦的廣義相對論（它描述大尺度上的引力理論）與量子力學（它描述極小尺度下的粒子行為）相互協(xié)調(diào)的一種新的引力量子理論。研究的所以如此困難的的原因在于，它們兩者是以兩個相互并不兼容的時間觀點為基礎(chǔ)的。位于加拿大安大略省滑鐵盧的園周物理研究所的李•斯莫林(Lee Smolin)說，“我愈來愈相信，時間的問題既是量子引力理論，又是宇宙學的關(guān)鍵。”
根據(jù)廣義相對論，時間與空間一起形成了四維時空。時間通道不是絕對的——不存在宇宙時鐘，它會讓宇宙的鐘點會在滴答聲中流逝。正好相反，從某個參照體系的框架下的進入到另一個框架時，時間是不一致的，一個觀察者體驗為時間，而另一個觀察者則體驗為是時間和空間的混合物。對愛因斯坦來說，時間是對事物運行的一種實用的度量參數(shù)，沒有什么特別的。
在量子力學里卻不是這樣來看這個問題。在量子力學里，時間發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，它跟蹤了時刻在變化著的用來解釋微觀世界的各種概率，而這些概率已被編碼為量子系統(tǒng)的波函數(shù)。波函數(shù)所隨之演化的那個時鐘，它反映的不是在某個特殊參考框架下的時間，而恰恰是愛因斯坦千方百計要去推翻的那個絕對時間。由此可見，盡管相對論把時間和空間作為一個整體來處理，而量子力學卻把宇宙分成兩個部分：即一個是正在觀察的量子系統(tǒng)，另一個是量子系統(tǒng)的外部經(jīng)典世界。在這斷裂的宇宙里，時鐘總是逗留在量子系統(tǒng)之外的。
某一方必須讓步。事實上，宇宙是沒有任何外部的，根據(jù)定義，就提示著量子力學應(yīng)該予以放棄——對許多情況，這個定義提示時間不是基本的。例如，20世紀90年代，物理學家朱利安•利巴伯(Julian Barbour)就建議過時間絕對不能存在于研究宇宙的量子理論之中。雖然如此，物理學家們不愿意拋棄量子理論，因為已被證明，量子理論對很多物理現(xiàn)象都能夠做出非常準確的預(yù)測。物理學家們需要一種不要時間的量子力學的研究方法。
單一的量子事件
法國馬賽大學的物理學家卡洛•羅威利【2】(Carlo Rovelli) 的創(chuàng)造正在于此。在過去的一年里，他和他的同事們制定了一個方法，可以把時間上的多量子事件壓縮成為可以用沒有時間參考體系來描述的單一事件。（見《物理評論 D》，75卷，第084033頁）
這是一個令人感興趣的成就。雖然羅威利用來處理時間的方法只是許多種方法里的一種，工作在量子引力的其他模型上的其他研究人員對此問題也可能具有不同的看法，可是幾乎所有研究這個問題的物理學家都認為，時間是找到終極理論的關(guān)鍵性障礙。羅威利的方法似乎只是差一點點就可以克服這一障礙了。他所用的模型是建立在加州大學圣巴巴拉分校的物理學家詹姆斯•哈特爾(Santa Barbara)的廣義量子力學的研究以及羅威利本人在量子系統(tǒng)早期工作的基礎(chǔ)之上的。
羅威利的想法是：假定我們有個以‘自旋’（一種量子屬性，依據(jù)不同的測量方向其值為“向上”或“向下”）為特點的電子。譬如說，我們要做兩次連貫的‘自旋’測量，一個是在x方向，另一個在y方向。測量可能結(jié)果的概率將依賴于執(zhí)行測量的次序。這是因為一次測量會瓦解波函數(shù)的不確定狀態(tài)，而促使它置于設(shè)定的狀態(tài)。第一次測量會改變粒子的狀態(tài)，它影響了第二次的測量結(jié)果。
譬如說，我們已經(jīng)知道電子在 x 方向是“向上”自旋的。如果要在測量了x方向的‘自旋’后，接著就測量y方向的‘自旋’，我們就會發(fā)現(xiàn)原來在x方向上的“向上”沒有起變化，可是在y方向上的‘自旋’就有了50:50的“向上”或“向下”的比例而不再確定。然而如果先測量的是y方向上電子的‘自旋’，則它對x方向的‘自旋’的測量結(jié)果同樣也會產(chǎn)生了不確定的擾動。也就是說，在“向上”或“向下”兩個測量方向上都會產(chǎn)生出了各有50:50的概率。
如果測量在時間上的重新排列改變了電子自旋的概率，那么我們怎樣才能計算事件序列的概率而不再參照時間呢？羅威利說，關(guān)鍵在于改變宇宙中處于在觀察之中的量子系統(tǒng)和經(jīng)典外部世界（測量裝置通常被認為是安放在經(jīng)典外部世界里）之間的分界線。把這個分界線移位，我們就可以把測量裝置也包含為量子系統(tǒng)的一部份。
在這種情況下，我們不再問“電子的自旋向上和自旋向下的概率為多少？” 而是問：“發(fā)現(xiàn)測量裝置處于特殊狀態(tài)的概率有多少？” 這時測量裝置就不再使波函數(shù)坍縮，而是電子和測量裝置在一起，共同為一個單一的波函數(shù)所描述，只有整個組合的單一測量才會引發(fā)波函數(shù)的坍縮。
時間到那里去了？時間的演變已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g中可以觀察到的事件之間的相互關(guān)系。羅威利說，“用一個相類似的比擬，例如，我可以告訴你，我驅(qū)車從波士頓出發(fā)先經(jīng)過芝加哥再經(jīng)過丹佛到達洛杉磯。這里我是在時間里來敘述事件的。然而我也可以告訴你，我是沿著地圖上的所標的路線驅(qū)車從波士頓驅(qū)車到洛杉磯的。這樣我就把前一種描述中關(guān)于測量在時間中的發(fā)生的信息替換成了可觀察的事件彼此如何聯(lián)系的詳細信息。
羅威利的研究方法產(chǎn)生量子力學的正確概率似乎可以證明他的直覺知識是正確的，這種直覺知識就是可以把宇宙動力學描繪為有相互關(guān)系事件的網(wǎng)絡(luò)，而不再是時間中的演變。澳大利亞悉尼大學的物理哲學家德•格爾斯(Dean Rickles)說：“羅威利的研究工作使沒有時間的觀點成為更為可信，更加與標準的物理學的觀點相一致。”
把量子力學重新寫成與時間無關(guān)的形式，再與廣義相對論結(jié)合起來就不那么費勁了，這時得到的宇宙就沒有什么必要以時間為基本量了。然而如果時間并不存在，為什么我們會這樣似乎明白無誤地感覺到它呢？究竟時間是不是僅是幻覺呢？
羅威利說，情況確是這樣，但這里有一個物理解釋。十多年以來，他與 巴黎法蘭西學院數(shù)學家阿蘭•孔涅(Alain Connes)【3】一起工作，認識到，為什么沒有時間的現(xiàn)實世界會導致時間概念的出現(xiàn)呢？他們把這種設(shè)想稱為熱時間假設(shè)，此種假設(shè)提示時間是作為統(tǒng)計效應(yīng)而出現(xiàn)的，與此相類似，將大群分子的運動加以平均就得到溫度的概念。(《經(jīng)典和量子的引力理論》，11卷，2899頁Classical and Quantum Gravity, vol 11, p 2899）
設(shè)想一個盒子里的氣體。原則上，我們可以跟蹤每一個分子在每時每刻的位置和動量，從而獲得在這個環(huán)境里微觀狀態(tài)的總體知識。此時，并不存在所謂的“溫度”；與此相反，而我們所具有的只是分子千變?nèi)f化的排列?？墒歉檶嶋H狀態(tài)下的所有的信息是不可行的，但我們可以把微觀表現(xiàn)平均起來使之形成一個宏觀的描述。我們可以凝聚關(guān)于分子動量的全部信息成為一個單一的量，它們的平均值，這就是我們常說的溫度。
根據(jù)阿蘭•孔涅和羅威利的理論，上面的假設(shè)，一般來說也可以用于宇宙。這時，我們就要跟蹤更多的要素，我們不僅要跟蹤需要處理物質(zhì)的粒子，而且還要跟蹤空間本身及引力。在我們把這些浩瀚的微觀安排平均化以后，所出現(xiàn)的宏觀特征就不是溫度，而是時間了。羅威利進一步說，“時間的流動實際上是不存在的，存在著時間的流動只是我們對現(xiàn)實非常近似的認識。”他還說:“時間是我們無知的結(jié)果。”
時間的流動實際上是不存在的，它只是我們對現(xiàn)實的近似的了解。感知的時間流動，只是我們對實際的非常近似的認識。時間是我們無知的結(jié)果。
宇宙時間
在紙面講講這些理論似乎聽起來都很不差，但有沒有任何證據(jù)來說明這種想法是正確的呢？阿蘭•孔涅和羅威利采用簡單的模型試驗他們的假設(shè)。他們從尋找彌漫在天空中的宇宙微波背景（CMB是cosmic microwave background的簡寫）輻射來開始研究，宇宙微波背景的輻射是宇宙大爆炸后所遺留下的余熱。宇宙微波背景只是統(tǒng)計狀態(tài)的例子：平均了它的各個細節(jié)，我們可以說，宇宙微波背景輻射實際上是均勻的，它的溫度還不到3K。羅威利和阿蘭•孔涅把它作為宇宙統(tǒng)計狀態(tài)的一個模型，加進其他的信息如可以觀察到的宇宙的半徑等，他們希望能觀察到有什么明顯的時間流程會產(chǎn)生。
他們所得到的是描述一個小宇宙的一序列的狀態(tài)，若把這一序列的狀態(tài)擴大與標準宇宙方程所描述的完全相同的式樣時，其結(jié)果正好與物理學家所稱為的宇宙時間是相匹配。羅威利說，“我感到很震驚！孔涅也是這樣，他獨立地思考著相類似的想法，而且非常驚訝地看到可以這個結(jié)論在一個簡單的計算中工作。”
為了把熱時間的假設(shè)用于宇宙，不管怎樣物理學家們還是要用到量子引力理論。盡管如此，用宇宙微波背景那樣的簡單模型所產(chǎn)生實際可行的結(jié)果是有發(fā)展前途的。羅威利說：“量子引力的一個典型的困難之一在于理論上怎樣理解不再出現(xiàn)時間變量，在這里，我們開始看到，沒有時間變量的理論不僅仍然可以講得通，而且實際上它也能夠描述我們大家都能看到的、存在于我們周圍的現(xiàn)實世界。”
更重要的是，熱時間假說提供了另一個有趣的結(jié)果：如果時間只是這個世界統(tǒng)計描述的一個人為制品，那末，對這個世界不同的描述應(yīng)該會導致不同的時間流。確實存在著一個很清楚的情況：存在著事件視界【4】。
一個觀察者在作加速度運動時，他創(chuàng)建了一個作為一條分界線出現(xiàn)的事件視界，這個事件視界在宇宙中劃出一個區(qū)域，只要觀察者繼續(xù)加快，那末從這個區(qū)域里發(fā)出的光線就永遠也不能達到他。這個觀察者所描繪出宇宙統(tǒng)計狀態(tài)與另一個沒有事件視界的觀察者所描繪出完全不同, 因為他正在失去離開他的事件視界之外的信息。他所感覺到的時間流動應(yīng)該由此而有所不同。
然而，使用廣義相對論，也有別的方法來描述他（作加速度運動的觀察者）對時間的體驗。由他居住的空間－時間幾何（決定于他的視界），確定了一個所謂本征時間——如果他攜帶著一個時鐘的話就會記錄下這個時間流。熱時間假設(shè)預(yù)言觀察者的本征時間與觀察者的統(tǒng)計時間（即根據(jù)阿蘭•孔涅和羅威利的思想所提出的時間）的比值，就是觀察者所測量到的在他周圍的溫度。
每一個事件視界都有一個與它有聯(lián)系的溫度。最著名的例子就是黑洞【5】的這個事件視界，與這個事件視界有聯(lián)系的溫度就是黑洞所發(fā)射的霍金輻射溫度【6】。同樣地，一個在作加速度運動的觀察者所測量到的溫度與人們熟知的盎魯輻射【7】是有一定的聯(lián)系的。由于羅威利和阿蘭•孔涅所導出的溫度與黑洞的盎魯輻射溫度和霍金輻射的溫度是相符合，從而進一步鞏固了他們的假設(shè)。
意大利羅馬大學的物理學家皮埃爾•馬丁內(nèi)蒂（Pierre Martinetti）說：“熱時間假說的確是非常美妙的思想。但我認為它的實施仍然是有限制的。目前，人們只是在時間觀念已經(jīng)有效時，只是驗證了羅威利和阿蘭•孔涅的假設(shè)并不自相矛盾。但是它還沒有應(yīng)用到量子引力理論中去。”
另外一些人極力主張在采用所有的方法來解釋時間性質(zhì)的時候，需要特別謹慎。里格爾斯（Rickles）說，“說時間是幻覺是錯誤的。盡管時間的觀念是可變形的或者是非基本的。然而來自人的頭腦活動的意識總不能僅僅是幻覺吧。
所以如果時間真的被證明是非基本的，我們?yōu)樗龀龅挠质鞘裁茨?？羅威利說，“對我們來說，時間是存在的，而且還在流動著，其要點在于這個美妙的流動在微觀世界里變得更為復(fù)雜。”
在現(xiàn)實的最深層次上，我們?nèi)匀徊恢?，時間是否將會經(jīng)久不衰，還是要像薩爾瓦多達利時鐘那樣會逐漸地融化掉?；蛟S像羅威利和其他人所認為的那樣，時間完全只是一個觀點而不是現(xiàn)實中的一個性質(zhì)，只是你對現(xiàn)實正在消失信息的結(jié)果。所以，當你試圖真正了解什么是時間的時候，如果感到傷透腦筋，就請你不妨放松一下吧！即使你真的認識到時間可能會簡單地消失的時候，也許你也只能是這個樣子吧！
