利維坦按:盡管我們看了無數的科幻作品,幻想著時間穿梭,但從古典力學的角度卻無法解釋時間的不可逆——你養的貓咪從小長大,成年,然后直至死亡;我們人類也同樣如此,出生,成長,衰老,死亡。難怪萊布尼茨和康德這樣的人會覺得時間只是一種幻覺和詭計:時間并不存在,它只是一種人定的規則。
如果按照熱力學第二定律來解釋時間的不可逆則是這樣的:在一個封閉的系統中(我們可以將宇宙看成是最大的可能的封閉系統)熵只能增大,不能減小。宇宙中的熵增大后不能減小,因此時間是不可逆的。
拋開這些理論,我們想一想,到底我們是怎么感知時間的呢?如果我們沒有了記憶(抹除過去),我們還能感受到時間的流逝嗎?如果時間是一個依序列方式出現的維度(就像牛頓認為的那樣),那么這一維度為何和其他三維如此不同?
過去、現在、未來,在物理學里都是一回事兒。但對于你我以及其他人而言,時間向同一個方向運動:來自于期待,穿越經歷,再進入記憶,這種線性關系被稱為“時間之箭”(arrow of time)。但有一些物理學家相信,這樣的進程僅僅因為人類和其他有著類似神經系統的生物,可以察覺到它的流逝罷了。
關于“時間之箭”的疑問是個老問題了。而且需要明確的是,它無關時間是否存在,僅僅事關時間運動的方向。許多物理學家認為,只有當出現足夠多符合量子力學那古怪規則的微觀粒子時,才會在相互作用下,開始顯現出經典宏觀物理學的特性。但是兩位科學家如今在期刊《物理年鑒》(“Annalen der physik”,當年愛因斯坦也在其上發表了開創性大作:《宏觀和微觀相對論》)上撰文指出,萬有引力并沒有強大到足以讓宇宙中的任何物體,服從相同的“過去→現在→未來”的方向。相反,“時間之箭”現象只取決于觀察者。
這一切都可以追溯到物理學史上最大的問題之一:量子力學和經典力學的統一。在量子力學的范疇,粒子具有疊加態。也就是說,一個電子可能同時存在于兩處,直到被觀察之前,人們無法確定其位置。電子可能的位置只能用概率來表示,這在實驗中被證實了。
可當電子開始和一堆空氣分子之類的多個物體相互作用時,又或者是坍縮為塵埃、飛機或是棒球等具體的事物時,物理規則就變化了。經典力學開始接管,萬有引力變成了決定性力量。“原子中每個電子的位置,都是由幾率決定的。”加州大學伯克利分校的物理學家野村康則(Yasunori Nomura)如是說。而一旦它們(電子)與其他宏觀事物發生關系,抑或直接構成了類似棒球一樣的事物,電子的狀態開始疊加,于是一個電子的集合(比如棒球)的疊加態則開始坍縮。這就是為什么你永遠不會看到,一顆棒球在同一刻既被左外野手的手套捕獲,又飛向上層看臺的原因。
微觀物理和經典物理相互融合的那一刻,被稱為退相干(decoherence)。在物理學中,它也是時間的方向性在數學意義上變得重要的時刻。并且,很多物理學家認為“時間之箭”就是在退相干時出現的。
惠勒-德威特方程式(Wheeler-DeWitt equation)是解釋退相干最著名的理論。它創建于1965年,當時一個叫約翰·惠勒(John Wheeler)的物理學家因故不得不在北卡羅萊納州機場臨時滯留。為了打發時間,他讓同事布萊斯·德維特(Bryce DeWitt)跟他面基。倆人干了些物理學家們最愛干的:侃侃理論,耍耍數學。他們一起搗鼓出了一個方程,對于惠勒而言,這玩意完美黏合了量子力學和經典力學之間的縫隙(德威特對此比較模棱兩可)。
這個理論并不完美,但它至關重要。多數物理學家同意,這是個用于理解詭異的基本退相干理論以及所謂“量子引力(quantum gravity)”的重要工具。
讓我們看看為什么說它詭異:盡管方程式本身不包含時間變量(這并不是全部的詭異之處。時間自身并不能被測量,在物理學里它是由一個物體的位置……和時間……之間的關系來進行測量的,總之它就是很詭異啦……)但是,方程式提供了將宏微觀整合在一起的框架。
然而,兩位科學家在最近起草的一篇論文中寫道:惠勒—德威特公式中,萬有引力的效應在全局性的“時間之箭”現象中起作用太慢了。“如果你看些例子,再做下計算的話,會發現公式并不能解釋時間的方向性是在何時出現的。” 該論文的共同作者之一,身兼生物學家和博物學家的羅伯特·蘭扎(Robert Lanza)說道【蘭扎創立了生物中心主義(biocentrism),一個認為“空間和時間是由生物感官所創造”的理論】。換句話說,這些輕盈的量子在萬有引力起作用前,應當能夠保持自己的疊加性。或者說,如果萬有引力太弱,以至于無法保持分子間相互作用的話,就會坍縮成為宏觀的物體,那么,就再也沒有辦法讓它們在時間方面保持同樣的運動方向了。
如果數學無法證實這一點的話,就交給我們這些觀測者來完成吧。時間之所以擁有這樣的運動方式,是因為由生物性、神經網絡性和哲學性相結合的人類,正是這樣體驗它的。這宛如薛定諤的貓的宏觀版本。在宇宙的某個遙遠角落里,可能時間是從未來向過去逆向運動的,可是當人類架起一臺望遠鏡對著那個方向觀察時,時間又變得符合“從過去到未來”的規律了。“在愛因斯坦的相對論里,闡述了時間是相對于觀測者存在的,”蘭扎說道,“我們的論文在此基礎上更進一步,認為其實正是觀測者們創造了它。”
這不一定是一個新的理論。意大利物理學家卡洛·羅韋利(Carlo Rovelli)去年就寫了篇關于它的論文,并發表在了ArXiv,一個開放的物理學網站上。但它并非沒有爭議,野村就指出了一個漏洞:怎樣才能檢驗所謂“觀測者時間(observer time)”的定義是真實的?“答案取決于在整個系統沒有觀測者的情況下,這個概念是否可以被數學所定義。”他說道。論文作者們卻認為,無法從任何公式中去除觀測者,因為公式都是默認由人來導出和分析的。
野村則稱,即便論文作者們也無法解釋一個事實,那就是整個宇宙中并不存在一個叫做“時空”的介質。“因此當我們談論時空時,我們實際上是在談論一個已經退相干了的系統。”他并沒有進而指出論文作者們錯了,因為物理學始終是一個亟待完善的科學。但他并不同意他們通過數學而得出的結論,畢竟如時間這樣的東西,物理學的解釋都是相對的。