时间的起点到底在哪里?

作者: 齐亚·梅拉里(Zeeya Merali)

来源: 天文物理

发布日期: 2016-02-01 09:25:59

文章探讨了时间的本质及其在科学研究中的进展,特别是通过相对论和量子力学的结合,揭示了时间在基本层面上可能是一个幻象。弦论和激光实验测试的进展也指向了时间不存在的观点。

时间的起点到底在哪里?

据说有人曾问奥古斯丁“时间是什么”,奥古斯丁这般答道:“你不问我,我本来很清楚地知道它是什么;你问我,我倒觉得茫然了。”如今一千多年过去了,人们对这个问题的研究获得了怎样的进展呢?

在基础层面上,时间之源仍然是一个谜。新泽西普林斯顿高等研究所的一名物理学家,尼玛·阿卡尼·哈姆德说:“它是科学前沿最深刻的问题之一,当我们问起:‘时间是什么?它来自何处?’时,我们都不清楚这些问题是不是有意义。”

尽管除去时间会让人困惑不已,但越来越多的证据表明,在实在的最基本的层面上,时间只是一个幻象。更奇怪的是,激光实验测试和弦论的进展都不约而同地指向一条思路:时间并不存在。

一个世纪多点前,我们认识中的时间与空间图景远没有这么复杂。物理学家愉快地在一个固定的三维空间背景下追踪物体的运动,并用一个独立的时钟来标记它们运动的快慢。人们认为,不论身处宇宙何处,时钟都以相同的速度滴答走秒。但到了20世纪初,两大物理革命撼动了这种观念。

第一场革命,是爱因斯坦的相对论将时间与空间编织成了随动的四维结构。爱因斯坦将这种结构称为“时空”,它能依随周围大质量的物体而变形,产生弯曲。质量小的物体则会沿着这些弯曲“滚向”大质量物体,这让宇宙产生了一种称为“引力”的作用力。

撼动我们对时间认识的第二大发展是量子力学。它是运用于亚原子领域的物理学。量子力学显示,在最微观的尺度下,事物的实质与存在变得很奇怪。比如,两个粒子可以以某种方式“纠缠”起来,这样它们就总会同时运动和变化。

但随着这一问题越来越多地为人所知,真正的“时间问题”在上世纪60年代产生了。当时物理学家为结合上面两大理论框架而焦头烂额——它们各自在其适用范围内成功地描述了宇宙:一个是在极小尺度下,一个则是在大尺度下。

二人将爱因斯坦的相对论方程与量子力学理论结合后,他们都惊呆了。两套法则本都独立地将时间视为表征事件的一个变量,但在将二者结合后,时间因子在数学方程中被完全抵消。

不过,到了2013年,吉诺维斯和他的同事进行了一项实验,至少在实验室中验证了制造一个这种宇宙的小型模型的可能。他们仅用了激光器产生的两个光粒子。实验的目的,是证明可以发生某种情形,让一个量子体系在从外部看时处于不变、而从内部看时却在演化。

在过去的几十年中,弦论也表现出支持时间本质虚幻这一点的。弦论于上世纪60年代开始发展,用于描述将原子内的基本粒子束缚在一起的强核力。在物理学家研究强作用力的过程中,他们冒出了一个想法,即当时被认为是宇宙中最小物质的亚原子粒子,实际上是由一些振动的“细弦”组成的。

IAS的弦论家内森·塞伯格解释说:“‘在小距离内发生着什么’是一个错误定义的观念——那里空间也许存在,但我们无法测量它;也许那里根本就没有可以测量的东西。”这意味着在某个极限下,空间也许不存在。

更奇怪的是,弦论后续的发展显示,时间之种播撒在实在的最边缘。这一思想的根源来自于一个奇特的假想的宇宙模型。这个模型是上世纪90年代末由弦论家胡安·马尔达西那提出的。他是在寻找一个可以联结量子力学和广义相对论的数学关系,他认为可以运用弦论来达到这一目的。

空间和时间都是由量子纠缠产生的这一想法,也独立地由温哥华的不列颠哥伦比亚大学的弦论家马克·范·拉姆斯敦克做出了改进,他也研究了马尔达西那的罐头模型。他借助一个数学模型发现,如果逐渐削弱罐面粒子间的纠缠,那么罐内的时空结构也会开始退联结。这意味着量子纠缠以某种方式扮演了让空间和时间之线交织在一起的角色。

但尽管物理学越来越多地显露出时间是一场幻觉,将时间变化出来的作用力却仍旧无从知晓。塞伯格说:“我的直觉是,我们需要的不只是将量子物理重做一遍,更需要一个乍一看完全荒诞不经的突破。只有时间才能告诉我们会发生怎样的变革。”

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