来源:原理

凡是具有天然运动和生死的,都有一个循环。这是因为任何事物都是由时间辨别,都好像根据一个周期开始和结束;因此,甚至时间本身也被认为是个循环。

——亚里士多德《物理学》

人们最早对时间的直观认识或许来自对自然的观察。太阳东升西落,四季更迭,花开花落,这些循环的现象让人们形成了一种最初的时间观,认为万物循环,时间本身也是一个循环。

循环的时间观或许更能给人带来一些宽慰,轮回与重生或许能消除些许恐惧。但是在日常生活中,我们最直观的体验是线性的时间。我们可以在空间中向前走两步,再向后退回到原处,但我们却无法在时间流逝两秒后,再回到两秒之前。时间本身真的像我们感受的这样具有方向吗?

对我们这些坚信物理学的人来说,过去、现在和未来之间的区别……不过是一个幻觉而已……

——爱因斯坦

从科学的角度来说,“时间概念的诞生”可以追溯到17世纪,也就是牛顿和以他为代表的经典力学体系的出现。在牛顿体系中,时间和空间都是绝对的,任何事情都发生在某个时刻的某个地方,换句话说,牛顿的体系反映了一种决定性的世界观,世界变得可以被预测。但牛顿的理论没有解决的是,经典力学的方程无法断定哪里是过去,哪里是未来,时间的方向被抽走了。

牛顿体系完全符合我们日常对世界的认知,在很长一段时间里,它一直是科学界的主导。但现在,当我们的认知不断突破极大和极小的边界,我们已经认识到,在宇宙尺度上,或者聚焦在原子和亚原子尺度上,牛顿的理论就不再适用。

相对论和量子力学是20世纪物理学的两大革命。或者可以这么理解,牛顿的理论是广义相对论在弱引力场下的近似。它符合我们日常的认知,是因为在非相对论性运动和弱引力场下,广义相对论可以简化为牛顿理论。

爱因斯坦的相对论打破了牛顿绝对的时间观念。在相对论的体系下,三维空间和一维时间被合并成了四维时空。但是和牛顿的理论所面临的问题相似,相对论同样建立在“无方向的时间”的概念上。

20世纪中后期,一些科学家试图将相对论和量子力学统一,建立起量子引力理论,它能够解释时间的单向演化。这其中不乏一些人们熟知的名字,比如彭罗斯。但这种统一的实现似乎还需要走很长一段路。

既然目前物理定律中的时间似乎并没有方向性,我们为何仍会觉得时间“一去不复返”?

我们对时间流逝的感觉,一面固然被经典力学、相对论、量子力学搞乱,另一面却从热力学中得到支持。

——柯文尼 海菲尔德《时间之箭》

科学家同样试着在宏观层面上来讨论这个问题。热力学第二定律告诉我们,一个孤立系统的熵(一种系统无序性的度量)在后来时刻的值,将大于(或者至少是不小于)它在之前时刻的值。

这条定律关上了永动机幻想的大门,却开辟了一条理解时间流逝的路。

1927年,物理学家爱丁顿最早提出了“时间之箭”(Arrow of Time,又译“时间之矢”)的概念,认为时间的单向性可能与热力学中的熵存在某种联系。

但问题并没有那么简单,因为热力学第二定律并不能真正解释时间之箭,它说的仅仅是,高熵的状态比低熵的状态更有可能出现。因此,其中一种解释还需要一种假设,那就是宇宙恰好以一种极不可能的低熵状态开始的,如果不是这样,时间就会被“卡住”,任何有趣的事情都不会发生。罗韦利(Carlo Rovelli)认为,如果宇宙是在一个随机状态下启动的,那过去和未来就不会有区别了。

事实上,观测证据表明,宇宙确实始于一种低熵的状态。宇宙学家认为,在时间的开端后的一瞬间,宇宙可能经历了一次快速而剧烈的膨胀,被称为暴胀。暴胀可能发生过不止一次,它会导致无限的多元宇宙的诞生。在多元宇宙中,一些宇宙存在时间之箭,一些则没有。可以说我们是幸运的,因为只有在存在时间之箭的宇宙,才有机会演化出生命。

事实上,就在今年,曾出现一些媒体的“小道消息”说,在南极的科学家找到了平行宇宙的证据。这种说法的来源可以追溯到三篇相关的学术论文。最初一篇来自2016年,南极脉冲瞬变天线(ANITA)发现了奇怪的高能粒子信号,那些粒子并不是由太空自上而下的“掉落”的,而是反向“向上升起”的。

一些科学家认为,观测的结果可以为“CPT对称镜像宇宙”提供证据,这个镜像的宇宙和我们所在的宇宙完全相反,时间也是倒退的,因此才会出现“向上”的高能粒子运动。后来,还有一篇相关论文采用了南极“冰立方”中微子天文台(IceCube)的证据,认为需要考虑其他方向来解释ANITA的数据。

因此,从科学层面来说,我们真正能得出的结论其实只有“‘异常’高能粒子信号”,以及“现有的理论无法解释这次观测的罕见事件”。而所谓“找到时间倒流的平行宇宙的证据”,只是一种过度延伸的解读。

这种过度解读或许和人们对“时光倒流”的兴趣密不可分,这种情况也并非第一次发生。2019年,莫斯科物理技术学院的研究人员曾发表论文称,他们在实验中将量子计算机的状态倒流回了几分之一秒之前,论文作者表示,“这是人为创造的一种状态,它朝着与热力学时间之箭相反的方向演化”(详见《科学家逆转了时间之箭?》)。

但物理学界并不接受这种说法。一个形象的比方是,如果将录像倒放,我们或许能看到蒸汽流回茶壶,这看起来似乎是“时光倒流”,但时间其实并没有被逆转。批评者认为,研究涉及的技术的确对测试量子计算机程序有用,但它远没有“时间机器”那么吸引眼球。

即使多元宇宙与时间之箭确有关联,仍有许多问题没有解决。各个领域的科学家仍在努力寻找着各种可能的解释。

2009年,一些量子物理学家提出,时间之箭也许可以用量子纠缠来解释。当一个物理系统与周围环境发生纠缠时,它会向平衡点靠近,这种单向的演化决定了时间之箭。

直到今天,我们依旧没能完全回答这个问题。时间之箭出现在众多场景和事件中——进化、衰老、记忆、因果……它的背后仍有广阔的天地等待我们揭示。

参考来源:

彼得·柯文尼,罗杰·海菲尔德,《时间之箭》,湖南科技出版社,2018年1月

罗杰·彭罗斯,《宇宙的轮回》,湖南科技出版社,2018年1月

https://www.newscientist.com/article/mg21128330-500-about-time-why-does-times-arrow-fly-only-one-way/

https://www.newscientist.com/article/mg24532770-400-we-may-have-spotted-a-parallel-universe-going-backwards-in-time/

https://www.newscientist.com/article/mg23831740-200-quantum-time-is-this-where-the-flow-of-existence-comes-from/

https://www.quantamagazine.org/what-is-time-a-history-of-physics-biology-clocks-and-culture-20200504/

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