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2017-07-23博科園296評(píng) 本文為你用物理學(xué)的角度剖析時(shí)間，顛覆你的認(rèn)知。時(shí)間是否物質(zhì)化，時(shí)間是否是幻覺(jué)？ 1.1時(shí)間的簡(jiǎn)單歷史 200年前，富蘭克林提出了“時(shí)間就是金錢(qián)”。這句話在新世紀(jì)中依然體現(xiàn)著它的意義，時(shí)間在21世紀(jì)的意義，就像能源一樣重要。 互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代出現(xiàn)后，地域的限制已經(jīng)不再存在，無(wú)論是北京還是上海，只要聯(lián)網(wǎng)，都能看到網(wǎng)站的同步更新，這意味著時(shí)間實(shí)際上已經(jīng)戰(zhàn)勝了空間。 而測(cè)量時(shí)間這一活動(dòng)可以追溯到20000年前：冰河時(shí)代的獵人在棍子上或者石頭上劃刻痕用以標(biāo)記時(shí)間。大約5000年前，巴比倫人和埃及人設(shè)計(jì)了日歷，用以指導(dǎo)種植及其其他活動(dòng)。  埃及的第一張日歷圖，圖自網(wǎng)絡(luò) GPS衛(wèi)星會(huì)持續(xù)報(bào)告衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置以及其上原子鐘記錄的時(shí)間，而GPS接受裝置會(huì)處理來(lái)自至少4顆衛(wèi)星的信息，并且將其轉(zhuǎn)化為精確的地理坐標(biāo)，提供給需要的人。這種裝置要求很?chē)?yán)格，只要一個(gè)衛(wèi)星的時(shí)間偏移百萬(wàn)分之一秒，就會(huì)在GPS接收器上產(chǎn)生5分之1英里的偏差。 1.2感受時(shí)間 時(shí)間的本質(zhì)這一古老難題，不僅吸引了物理學(xué)家和哲學(xué)家的注意，還吸引了人類(lèi)學(xué)家的注意。多余我們大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，時(shí)間不僅是真實(shí)的，還是我們所做一切的主人。 我們清楚的感受到自己被夾在過(guò)去與現(xiàn)在之間，或許這和一個(gè)基本的生物事實(shí)有關(guān)：我們的身體充滿了生物鐘，它們支配著我們什么時(shí)候覺(jué)得困，甚至什么時(shí)候走向盡頭。生物學(xué)家也開(kāi)始逐漸揭開(kāi)了生物節(jié)律的秘密。于是科學(xué)家們逐漸鎖定了大腦的特定區(qū)域，這些區(qū)域有助于我們感受時(shí)間的變化，所以我們開(kāi)心時(shí)就會(huì)有時(shí)間過(guò)得很快的感覺(jué)。 歸根結(jié)底，時(shí)間作為三個(gè)空間維度的第四個(gè)維度，我們一直以來(lái)都對(duì)它懷著滿滿的敬佩。 第二章 時(shí)間的本質(zhì) 2.1時(shí)間是幻覺(jué)？ 在你讀這句話時(shí)，你大概會(huì)認(rèn)為“此時(shí)此刻”，也就是現(xiàn)在，正在發(fā)生?！艾F(xiàn)在”給人的感覺(jué)很特別，不論你如何留戀過(guò)去，現(xiàn)在都是最真實(shí)的，我們有一種深入骨髓的直覺(jué)，認(rèn)為“未來(lái)”尚未確定，而“過(guò)去”不可更改。這種時(shí)間觀念，植根于我們的語(yǔ)言、思維和行為當(dāng)中。 盡管這種時(shí)間觀念非常自然，我們卻找不到任何科學(xué)依據(jù)支持這一觀念。物理學(xué)方程沒(méi)有告訴我們哪些事件是正在發(fā)生的，并且愛(ài)因斯坦的相對(duì)論指出，所有時(shí)刻都是平等的，都同等于“現(xiàn)實(shí)”，特殊的“現(xiàn)在”根本就不存在。如今，物理學(xué)中的時(shí)間和我們感受的時(shí)間已經(jīng)出現(xiàn)了一道鴻溝，一個(gè)合乎邏輯的結(jié)論呼之欲出——時(shí)間根本就不存在。 這個(gè)概念讓人大吃一驚，很難想象它能自圓其說(shuō)，我們能看到種種改變，頭發(fā)變白等，都是某些屬性相對(duì)于時(shí)間而發(fā)生的改變，沒(méi)有了時(shí)間，世界就應(yīng)該完全停止。那么如果沒(méi)有時(shí)間，我們又將如何看到這些改變呢？ 我們要解釋的，也就是這一點(diǎn)。盡管時(shí)間在基本層面上或許并不存在，但它可以在更高層面上產(chǎn)生出來(lái)——就像桌子觸摸起來(lái)是堅(jiān)硬的一樣，哪怕它只是很多粒子的組合。（演生屬性是那些高層次具有而低層次不具有的屬性）時(shí)間，也許也是一種類(lèi)似于堅(jiān)硬的演生屬性。 2.2時(shí)間在物理學(xué)中的變革 經(jīng)典物理學(xué)假定，事件發(fā)生的先后次序，原則上能被所有觀測(cè)者認(rèn)同，因此在牛頓運(yùn)動(dòng)定律中，時(shí)間為世界上所有事件提供了一份完整的先后次序。不僅如此，時(shí)間還必須是連貫的，因此我們定義了速度和加速度。 從本質(zhì)上講，牛頓提出，這個(gè)世界生來(lái)就有一個(gè)超然的母鐘，母鐘客觀地將世界分割成時(shí)間的一個(gè)個(gè)瞬間。牛頓認(rèn)為時(shí)間的流淌給我們提供了一個(gè)箭頭，告訴我們哪個(gè)方向才是未來(lái)。  每一幀都可以推導(dǎo)出下一幀 直到19世紀(jì)末，玻爾茲曼推論出不論時(shí)間是正向流淌還是反向流淌，牛頓定律都同樣適用，因?yàn)闀r(shí)間本身并沒(méi)有內(nèi)置的箭頭，他提出，過(guò)去和未來(lái)的差別不是時(shí)間所決定，而是宇宙中物質(zhì)組織過(guò)程中的不對(duì)稱引起的。 隨后愛(ài)因斯坦廢除了絕對(duì)同時(shí)的概念。根據(jù)相對(duì)論，事件是否發(fā)生取決于你的速度。發(fā)生事件的真正舞臺(tái)不是時(shí)間，而是時(shí)空。到了1915年，他又提出廣義相對(duì)論，將狹義相對(duì)論擴(kuò)展到了存在引力的環(huán)境中，傳統(tǒng)時(shí)間的處境就更加窘迫了。引力可以扭曲時(shí)間，因?yàn)檫@里的一秒和那里的一秒不是同一回事?？梢哉f(shuō)，愛(ài)因斯坦讓時(shí)間在物理學(xué)中產(chǎn)生了第一次變革。 第二次變革就來(lái)到了現(xiàn)代物理時(shí)代，現(xiàn)代物理的最高目標(biāo)就是要統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，創(chuàng)造出能同時(shí)處理物質(zhì)的引力和量子特性的理論——量子引力論。但時(shí)間成了絆腳石。 量子力學(xué)稱，物質(zhì)能擁有的狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出位置和速度之類(lèi)的范疇。對(duì)物質(zhì)狀態(tài)的完整描述，由一個(gè)被稱為“量子態(tài)”的函數(shù)給出，物理學(xué)家可以通過(guò)這一函數(shù)給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的概率。這種函數(shù)在某種意義上允許在兩個(gè)相互矛盾的結(jié)果得以共存。例如，在時(shí)間上，某個(gè)時(shí)間點(diǎn)你活著或是死了都是能同時(shí)存在的，這種幾率在時(shí)間中累加，而不是地點(diǎn)。 目前，在推導(dǎo)愛(ài)因斯坦方程時(shí)（把電磁學(xué)量子化），結(jié)果表明完全沒(méi)有時(shí)間變量，時(shí)間t就這么消失了。按字面意思理解這個(gè)結(jié)論——時(shí)間沒(méi)有真正存在過(guò)。 那么改變是怎樣引起的呢？本質(zhì)上講，改變?cè)从谖锢眢w系之間的關(guān)聯(lián)。我們要做的就是描述兩個(gè)物體間的相互關(guān)聯(lián)，消去作為中介的全局時(shí)間。我們可以不把棒球的速度說(shuō)成5米/秒，而用冰川的改變速度來(lái)描述它。不用時(shí)間，我們一樣可以描述改變。  各種關(guān)聯(lián)網(wǎng) 這種相互關(guān)聯(lián)交織成一張巨網(wǎng)，物理學(xué)家把宇宙的運(yùn)行規(guī)律，總結(jié)成含有時(shí)間項(xiàng)的物理學(xué)定律，但我們不能因?yàn)闀r(shí)間給了我們方便，就把它當(dāng)做世界的組成部分了。就像錢(qián)一樣，我們不用以物易物，但錢(qián)本身不具備價(jià)值。時(shí)間也一樣，不過(guò)是方便而虛構(gòu)出來(lái)的東西，但它并不在自然界中真實(shí)有價(jià)值的存在。 2.3時(shí)間從未流動(dòng) 時(shí)間可視為第四維這個(gè)事實(shí)并不意味著它和空間的三維一樣，它們以不同的形式存在于物理理論中。但許多物理學(xué)家相信在極小的空間和時(shí)間尺度上，空間和時(shí)間可能會(huì)變得沒(méi)有區(qū)別。 相對(duì)論告訴我們，事件的發(fā)生取決于你的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)方向。如果你和我在一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，對(duì)于一個(gè)事件，我可能會(huì)判斷為還處于尚未發(fā)生的未來(lái)，而對(duì)你來(lái)說(shuō)這一事件可能存在于確定的過(guò)去中。所以，最直截了當(dāng)?shù)慕Y(jié)論就是，過(guò)去和未來(lái)都已經(jīng)確定?；谶@個(gè)原因，物理學(xué)家更喜歡把時(shí)間當(dāng)成總體上已經(jīng)布局好的全局時(shí)間，所有的過(guò)去和未來(lái)都已經(jīng)存在了。這個(gè)想法被稱為塊時(shí)間?？傊谖锢韺W(xué)家眼中，時(shí)間不會(huì)消逝或流動(dòng)。  傳統(tǒng)時(shí)間觀和塊時(shí)間的觀點(diǎn) 我們?cè)谟懻摃r(shí)間流逝時(shí)遭遇的困惑，主要源于時(shí)間流逝和所謂時(shí)間箭頭的關(guān)系。不可否認(rèn)世界上的事件構(gòu)成了一種單項(xiàng)序列。自然界充滿了不可逆的物理過(guò)程，所以熱力學(xué)第二定律在世界發(fā)揮了關(guān)鍵作用，也導(dǎo)致了時(shí)間軸上過(guò)去和未來(lái)兩個(gè)方向出現(xiàn)了明顯的不對(duì)稱。 物理的不可逆過(guò)程使得時(shí)間流動(dòng)成了世界的一個(gè)客觀性質(zhì)。 時(shí)間的不對(duì)稱性有兩個(gè)方面可以讓我們產(chǎn)生時(shí)間在流動(dòng)的錯(cuò)覺(jué)。 第一，由于熵的概念，記憶的形成是單向過(guò)程——新的記憶增加了大腦的熵值。我們也許可以把這一單向性理解為時(shí)間的流逝。 第二，可能是我們對(duì)時(shí)間流逝的理解和量子力學(xué)有某種關(guān)系。根據(jù)海森堡不確定性原理，對(duì)于一個(gè)特定的量子態(tài)，有很多不確定的未來(lái)。比如，在觀測(cè)者發(fā)現(xiàn)電子在某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)特定的現(xiàn)實(shí)就從數(shù)量巨大的一系列可能性凸顯出來(lái)。那么對(duì)觀測(cè)者而言，可能性轉(zhuǎn)化為真實(shí)性。開(kāi)放的未來(lái)變成了確定的過(guò)去——所謂時(shí)間之流。 2.4 時(shí)間是離散的 100多年前，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，直到原子的發(fā)現(xiàn)，我們才知道物質(zhì)是離散的組合。那么時(shí)空呢？空間是我們所想的那樣連續(xù)，還是由離散的塊組成。對(duì)于時(shí)間而言，是否有可能由離散的塊組成。 過(guò)去幾十年的研究讓這個(gè)問(wèn)題取得了巨大的進(jìn)步。圈量子引力理論預(yù)言了時(shí)空的確由離散的塊組成。 量子理論和廣義相對(duì)論都已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)完美證實(shí)，但實(shí)驗(yàn)沒(méi)有探索到這兩者都起重要作用的情形。當(dāng)把兩者結(jié)合起來(lái)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的漏洞：計(jì)算假定的幾何空間都是連續(xù)平滑的。于是我們找了兩個(gè)原理，（背景獨(dú)立和微分同胚不變性）合并后，出現(xiàn)了圈量子引力理論，結(jié)論就是空間如同原子一樣，體積是可區(qū)分的塊?？傊嚎臻g不連續(xù)，只存在特定量子單位的面積和體積。隨后我們表示出了體積的量子態(tài)，再模擬了時(shí)間的量子態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)正如空間是由自旋空間離散的幾何結(jié)構(gòu)一樣，時(shí)間也是離散的重組網(wǎng)絡(luò)。（這段話看不懂就算了吧）。 第三章 時(shí)間與宇宙 3.1時(shí)間開(kāi)端 因?yàn)槲冶救司褪茄芯肯艺摰奈锢韺W(xué)家，所以對(duì)這一章節(jié)格外的認(rèn)真。 弦論認(rèn)為，大爆炸并不是宇宙的開(kāi)始，而僅僅是前一個(gè)狀態(tài)演化的結(jié)果。 弦論的基本想法是基本粒子不是點(diǎn)狀的，而是一維物體——弦。量子弦的尺寸是有限的，如果不是量子效應(yīng)的話，弦還能被切割成無(wú)質(zhì)量的點(diǎn)粒子。但由于海森堡的不確定性原理，最終會(huì)被規(guī)定在極小的長(zhǎng)度下。其次，量子弦即使沒(méi)有質(zhì)量，也可能會(huì)有角動(dòng)量，并且量子弦要求在通常的三維空間之外還有額外空間維度存在。 此外量子弦還能體現(xiàn)出一些新的對(duì)稱性。（由于讀者專(zhuān)業(yè)知識(shí)有限，這里不再贅述）總之，弦論的T對(duì)偶和D膜等都指向了一個(gè)性質(zhì)：弦不會(huì)坍縮成無(wú)限小。 于是，弦論物理學(xué)家開(kāi)始嘗試猜想大爆炸前的宇宙。根據(jù)T對(duì)偶和時(shí)間反演對(duì)稱性組合起來(lái)，我們可以得到的是：大爆炸前的宇宙幾乎是大爆炸后宇宙的鏡像。  大爆炸理論，圖自網(wǎng)絡(luò) 如果未來(lái)宇宙將永遠(yuǎn)存在，宇宙中的成分隨之變得越來(lái)越稀薄的話，那么過(guò)去它也是向前無(wú)限延伸的。在無(wú)限久的過(guò)去，它幾乎空無(wú)一物，只有一些微薄的氣體，自然的作用力非常微弱，以至于粒子間沒(méi)有任何作用力。隨著時(shí)間的流逝，作用力強(qiáng)度增大，某些區(qū)域開(kāi)始吸引周邊的物質(zhì)，最終形成黑洞。各個(gè)黑洞讓區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)和外界分開(kāi)，讓宇宙斷裂成一個(gè)個(gè)不連通的碎片。 在黑洞內(nèi)部，時(shí)間和空間交換了角色。當(dāng)密度、溫度和曲率達(dá)到弦論所允許的最大值時(shí)，這些量的演化反轉(zhuǎn)，開(kāi)始減少。這個(gè)反轉(zhuǎn)的時(shí)刻稱為大爆炸，這些黑洞其中之一就是我們的宇宙。 另一種模型是近年才提出的火劫模型。  火劫宇宙 我們的宇宙處于高維空間的一端，而一個(gè)“隱形膜”處在另一端，彼此吸引，偶爾會(huì)碰在一起，導(dǎo)致額外維度縮小到零然后再增長(zhǎng)。大爆炸就對(duì)應(yīng)于兩個(gè)膜相撞的時(shí)刻。在這個(gè)火劫宇宙中，碰撞時(shí)周期性的，兩個(gè)膜可能會(huì)撞擊，然后彈開(kāi)，再接近。膜在遠(yuǎn)離時(shí)膨脹，在靠近時(shí)收縮。實(shí)際上，我們的宇宙目前的加速膨脹可能就預(yù)示了下一次撞擊。  碰撞膜 那么時(shí)間到底是何時(shí)開(kāi)始的？科學(xué)研究目前沒(méi)有給出一個(gè)決定性答案，但至少有兩種以上的理論支持，宇宙以及時(shí)間在大爆炸前就存在了，如果其中一種是正確的，那么宇宙便是永遠(yuǎn)存在的，并且不會(huì)終結(jié)。 當(dāng)然，這里還可以提一些其他的預(yù)言，例如有人說(shuō)，宇宙微波輻射可以預(yù)示著時(shí)空誕生于神秘的四維黑洞等。  宇宙微波輻射 第四章 時(shí)間旅行 假如時(shí)空扭曲得很厲害，以至于一些世界線構(gòu)成了閉合環(huán)路，它們就會(huì)成為通向過(guò)去的通道。如果精確地沿著這樣一條閉合的類(lèi)時(shí)曲線走一周，你就會(huì)撞到以前的自己。  閉合類(lèi)時(shí)曲線 在非常極端的情況下，時(shí)空能彎曲到一定的程度，從而創(chuàng)造出從現(xiàn)在回到過(guò)去的路徑。 蟲(chóng)洞！通過(guò)蟲(chóng)洞的入口是球形的，它是一個(gè)進(jìn)入四維通道的三維入口。進(jìn)入蟲(chóng)洞不是讓你在一個(gè)時(shí)刻消失，另一個(gè)時(shí)刻被重新組裝。而是你的時(shí)間和其他地方不同步而已。當(dāng)然，要想得到蟲(chóng)洞，你需要負(fù)能量，也就是我們所說(shuō)的暗能量，否則蟲(chóng)洞必然會(huì)坍縮。所以，制造這樣的時(shí)間機(jī)器是不太可能的。 不過(guò)在時(shí)間旅行上，采用較為保守的“時(shí)間延緩”卻是有可能實(shí)現(xiàn)的。兩種方法，第一，近光速行駛，這點(diǎn)通過(guò)狹義相對(duì)論大家都知道。第二，借助引力。引力同樣可以延緩時(shí)間的流逝。 中子星的表面引力非常強(qiáng)，以至于這些星球上的時(shí)間相對(duì)地球延緩了30％，在黑洞表面，時(shí)間相對(duì)于地球是靜止的。如果一個(gè)宇航員毫發(fā)無(wú)損地從黑洞邊緣回來(lái)，那么他就已經(jīng)跳躍到了遙遠(yuǎn)的未來(lái)。當(dāng)然，穿越到過(guò)去就只能依靠蟲(chóng)洞了。（反向穿越也可以到達(dá)未來(lái)） 如果能創(chuàng)造出一個(gè)穩(wěn)定的蟲(chóng)洞，就可以立刻用它來(lái)進(jìn)行時(shí)間旅行，一個(gè)穿越了蟲(chóng)洞的宇航員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，自己不僅身處宇宙的某個(gè)角落，而且還穿越了時(shí)間。 當(dāng)然，有可能空間本身就存在蟲(chóng)洞這樣的結(jié)構(gòu)，比如來(lái)自大爆炸的遺存，果真如此的話，超級(jí)文明或許正在利用它。另一方面，蟲(chóng)洞也許在非常小的尺度自然存在，比如普朗克尺度。 就這樣，時(shí)間的論述結(jié)束了，物理學(xué)中，時(shí)間的謎底正慢慢地揭開(kāi)...... 全文為環(huán)球科學(xué)的歸納總結(jié)，原創(chuàng)文章請(qǐng)勿私自侵權(quán)。 作者：天天賜賜丶 本文授權(quán)轉(zhuǎn)自微博@天天賜賜丶  本文來(lái)自騰訊新聞客戶端自媒體，不代表騰訊新聞的觀點(diǎn)和立場(chǎng) 點(diǎn)擊展開(kāi)全文 |
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