时空的秘密

作者: Takeko

来源: https://www.newscientist.com/article/mg21128331-500-about-time-will-time-end/

发布日期: 2020-06-05

本文探讨了时间的起源和终结问题,从亚里士多德的时间定义到大爆炸理论,再到宇宙的膨胀和可能的终结,以及多元宇宙的概念。文章通过科学家的研究和理论模型,试图解答时间是否有开端和是否会终结的问题。

古往今来,时间一直是一种神秘的存在。无论是哲学思辨,还是文学作品,无论是文化宗教,还是科学研究,时间高深莫测的性质一直令人着迷。在许多原始社会中,时间被看作是一种不断循环的节奏。到了公元前约350年,亚里士多德提出了一个听起来相当现代的时间定义,他认为“时间是关于先后的可计算的运动量度”,将时间作为事件的固定序列。但时间有开始吗?亚里士多德回避了这个概念,科学却没有回避这个问题。

20世纪初,天文学和宇宙学试图找出答案。尽管这很困难,但我们现在还是有相当大的把握,窥探到了宇宙开端发生的事情。20世纪20年代,俄国物理学家弗里德曼利用广义相对论预言了一个膨胀的宇宙。弗里德曼的模型表明,宇宙是从一种无法描述的致密状态中,以某种大爆炸的方式诞生的。在大爆炸之前,什么都不存在,没有空间,没有物质,同样,时间也不存在。

任何理论模型都需要观测证据的支持,而主流科学界对大爆炸理论的信心最初来自一位更著名的天文学家——哈勃。就在弗里德曼提出他的宇宙学模型几年后,1929年,哈勃基于光谱线红移,得到了令人信服的证据,证明遥远的星系正离我们远去,距离我们越遥远的星系,远离我们的速度就越快。如果这样倒推回去,我们就会发现,宇宙中的一切在过去的某个时间是完全聚在一起的。而更为关键的证据来自20世纪60年代。

当时,物理学家彭齐亚斯和威尔逊在实验中发现有一种外来的微波噪声。起初,他们非常仔细地想要消除这种噪声,为此甚至还赶走了一对在实验室天线上筑巢的鸽子。但事后证明,鸽子是无辜的。任何努力都无法完全消除这种噪声。在仔细研究噪声的性质后,他们一致认为,这是一种来自银河系之外的热电磁辐射,它只能被解释为是宇宙演化极早期的遗迹,也就是宇宙诞生的“回响”。

这种辐射曾经被起过各种名字,包括辐射遗迹、3度背景等等,而最终被命名为宇宙微波背景辐射(CMB)。CMB为大爆炸理论提供了关键证据。现在,有更多观测证据支持大爆炸理论,宇宙在大约138亿年前诞生。也就是说,宇宙有了一个开始,或许我们可以说,时间本身也在这里有了一个开端。那我们不如继续追问一个更令人毛骨悚然的问题,时间会终结吗?

目前来说,我们还没有能力确定地回答这个问题,但这并不妨碍我们自由地畅想一下。这种想象甚至可能比宇宙末日还要可怕。因为在大多数宇宙末日的“一般情况”下,仍然存在着一种令人欣慰的可能,那就是一个新的宇宙可能从旧宇宙的“灰烬”中诞生。但如果时间本身可能会终结,那么我们就没了退路,故事到这里就完全画上了句号。近年来,宇宙学家一直试图面对这个最后的帷幕。

也许这对他们来说并不是一个可怕的命题,因为他们已经习惯了来自爱因斯坦广义相对论有关的时间终结问题。这个引力理论意味着,当一颗恒星坍缩成黑洞时,其中的物质会被压碎成一个密度无限的单点,也就是奇点,在这里,所有的量都变成无穷,时间结束。但是,广义相对论或许不是一个完美精确的理论,物理学家怀疑它提到的奇点会受到量子力学的影响。

如果真是这样的话,当时空穿过黑洞的裂痕,可能会有足够的空间让它生存下来,并在另一边恢复。或许时间能够避免一个激烈消亡的结局,但它也有可能停滞。在很久很久很久之后,当所有的恒星都燃烧殆尽,甚至连黑洞都“蒸发”了,我们宇宙中的所有物质都可能变得均匀分布。一切都已经最大可能地变得无序。那么时间就不存在一种“方向的流动”了,也不会有任何事情发生。

但是,在亚原子尺度上,粒子仍然会相互碰撞,这些随机碰撞会导致一些更有趣的事情。统计上罕见的意外有可能会产生一个有序的物体,比如一杯啤酒,或者一只猴子,这个有序的物体将再次短暂地受到时间的影响,直到一切再次变得完全无序。在这种情况下,时间已经非常“虚弱”了,但它并没有完全消亡。时间的真正消亡可能是由多元宇宙决定的。

许多宇宙模型都包含一种称为永恒暴胀的暴胀形式,在这种暴胀中,新的宇宙被不断创造出来,每个宇宙都有不同的性质。宇宙学家想掌握各种可能性——这些宇宙中有多少恒星,有多少物质,有多少比例可能会出现生命。但他们遇到了一个障碍。在一个无限增殖的宇宙中,一切都有无穷多个版本,而不可能计算出概率。为了解决这个问题,一些宇宙学家假装大多数多元宇宙不存在。

通过在空间和时间上施加一个任意的截止,他们可以计算出多元宇宙的局部区域的概率。这种做法似乎很管用。例如,他们用这个概率来预测宇宙常数的一个数值,也就是推动宇宙膨胀的斥力,这个值和天文学家的测量结果基本相当。虽然这听起来对宇宙学家和他们的计算来说是个好消息,但对时间来说却是个坏消息。理论物理学家步索认为,只有真正的多元宇宙在时间上是有限的,这些概率才是一致的。

如果被“切断”的多元宇宙反映了现实,根据他的计算,时间可能只剩下几十亿年了。这是听起来很疯狂,但也不必过于担心,这仅仅是多种预测之中的一种而已。比如还有一些研究认为,即使不用“斩断”时间,多元宇宙中的概率仍然能够被计算出来。如果时间“真正的终结”是有可能的,那会是什么样子?或许令人意想不到的是,真的有科学家进行过相关的实验。物理学家Igor Smolyaninov进行过一项研究。

他使用了一种材料,由沉积在金膜上的塑料条制成,这种材料代表了宇宙,它能以一种特殊的方式使光线弯曲。在这种超构材料中,有一个轴就像时间一样,它会把光线向前拉,这种运动在数学上与光在时空中的移动是一样的。Smolyaninov将一些超构材料连接到一块普通的材料上,在普通材料中,光可以向任何方向自由移动,这意味着没有时间轴。

他发现,在两片区域的边界处,也就是“时间消失”的地方,光会堆积起来形成一个强大的电场。根据理论预测,如果材料中没有能量损失,电场将增加到无穷大。Smolyaninov认为,如果将物理真空比作超构材料的这种类比成立,那么在现实空间中,所有的能量场都将被提升到巨大的数值,温度升高,在存在的最后一瞬间充满粒子的“地狱之火”。如果你认为一切都会走向“地狱”,在某种意义上,也许你是对的。

物理学家玻尔曾说:“预测是很困难的,尤其是对未来的预测。”时间的尽头(如果真的存在的话)究竟是什么样,或许只有“交给时间”来回答。

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