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追尋中本聰先生的腳步
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《時間的秩序》時間是物體的屬性,而不是物體本身_時間并非是「均勻」流逝的_卡洛·羅威(利關于時間的探索之旅)公眾號:木聞????

每天都有無數凡人死去,然而活著的人卻仿佛自己永生不朽。

??時間對于我們而言是一種熟悉而又陌生的東西。我們的日常作息需要關注時間,社會經濟的正常運轉也離不開對時間的精確衡量。時間就像周圍的空氣一樣,總是伴隨著我們,是我們再熟悉不過的東西。

然而時間又充滿著種種謎團。

  • 時間是怎樣起作用的?
  • 時間的本質是什么?

哲學家和物理學家們對于這些問題都有著濃厚的興趣。宇宙的起源,黑洞的命運,地球上生命的運轉,這些與時間之間存在著怎樣的聯系?這是我們難以回答的問題。

但物理學家們已經在探索時間本質的道路上取得了不小的突破。當人們對時間的認識越來越深時,我們也發現原來我們曾經對時間有著太多的誤解。

我們曾認為時間對于萬物都是公平的,它均勻而安靜地流逝,不會受到任何事物影響。宇宙的秩序就伴隨著它的流淌緩緩地展開,從過往到現在,從現在到未來。

然而,這些都是錯的。

我們就從一個簡單的事實說起:山上的時間會比海平面的時間過得快。

如果你的朋友住在山頂,你住在山腳,那么多年以后你們再見面,和你的朋友相比,你會更加年輕,你養的花草生長得更慢,你的時鐘轉的圈數更少……總之,在山腳下的你,擁有的時間會比你的朋友更少。

不知道你會不會為此感到驚訝?不過最初提出這個設想的人想必說出來你不會感到太驚訝——對,他就是愛因斯坦。

愛因斯坦提出的理論認為,一個有質量的物體會彎曲它周圍的時空。

針對時間來說,一個有質量的物體會讓它周圍的時間變慢,物體的質量越大,時間減慢的效果就越強。

地球作為一個大質量的物體,當然會減慢它周圍的時間。而之所以山腳的時間會比山頂更慢,就是因為山腳比山頂更加靠近地球。

其實早在認識到質量會減慢時間的十年前,愛因斯坦就意識到,時間是能夠被速度減慢的。

如果你和你的朋友現在都住在山腳下,但是你一直處于運動的狀態,那么和你的朋友相比,你的手表會走得更慢,你會比他老得更慢。

對于任何運動的物體來說,時間的流逝都會變慢。

物體的運動速度越快,時間變慢的效果也會越強。假設你能夠乘坐宇宙飛船以光速的99.5%的速度運動,那么你的時間將會比我們慢10倍。等你在太空晃悠一圈再回到地球,那才真的是「出走半生,歸來仍是少年」。

所以現在你就知道,時間并非是「均勻」流逝的,它對待山頂和山腳的不同,對待運動和非運動的物體不同。

但是,即便時間并不均勻,它至少是在「流逝」對吧?就像哪怕河流有的地方流得快,有的地方流得慢,但河流本身總是在流動的吧?

然而物理學家告訴我們,過去與未來,原因與結果,記憶與希望,在描述世界的根本法則面前,并沒有什么區別。

早在19世紀,德國人克勞修斯提出的熱力學第二定律就告訴我們,在其他東西不變的情況下,熱是不能從低溫物體傳到高溫物體上的。

這和物體墜落有著本質區別:一個小球掉下來之后,但可以通過反彈再彈起來,但熱不會。

在物理學里面,正是熱力學第二定律,區分了過去與未來。

不是牛頓的定律,不是麥克斯韋方程,不是愛因斯坦的相對論……所有的這些方程都不能區分過去與未來,因為如果它們允許一個向前的過程,那么同樣的過程其實也可以向后運行。

在世界的基本方程當中,時間之箭只出現在有熱的地方。

因此時間與熱的根本聯系在于,只要過去和未來出現差異,就必然會涉及到熱。

反過來講,如果不發生什么熱的交換,或者熱交換可以忽略不計的情況下,我們看到的過去和未來就是一模一樣的。

能將過去和未來區分開的基本現象,就是熱量總是從熱的物體跑到冷的物體上。

克勞修斯為了描述這個不可逆的過程,引入了「熵」(entropy)這個概念。

熵是一個測量一個系統混亂程度的量。

  • 一個被收拾得整整齊齊的房間,東西都被擺放得非常有序,這樣的系統就是低熵的;
  • 相反,如果這個房間是亂糟糟的,那么這個房間的熵就比較高。

熱力學第二定律告訴我們,在一個孤立系統中,熵只會增加,不會減少。

那么熵和時間的關系是什么呢?

我們說熵是描述一個系統混亂程度的量,但是玻爾茲曼告訴我們,我們之所以會感受到宏觀上的「混亂」,那完全是因為我們的感官沒有辦法去體會微觀上的區別。

比如我們拋十枚硬幣,十枚硬幣全朝上和全朝下(設為情況1)的概率都非常小,對于我們而言,這是一種特殊的低熵狀態;而更可能出現的情況是,有五枚硬幣朝上五枚硬幣朝下(設為情況2),這是一個混亂程度最高的高熵狀態。

但你要注意的是,我們之所以認為情況2的熵更高,是因為我們沒有辦法區別這十枚硬幣之間的不同,因此只能靠正面反面來區分。如果你能夠精確地感知這十枚硬幣之間地材質紋理,溫度硬度等等屬性的不同,那么對你來說,任何的排列組合都是一種特殊的低熵狀態。

這正是玻爾茲曼提出的。

熵之所以存在,是因為我們是用一種模糊的宏觀方式來描述世界,我們沒有辦法區分微觀世界的不同。

我們現在來梳理一下這個邏輯:熱區分了過去和現在,描述這個過程的時候我們引入了熵這個概念,而熵的存在是因為我們沒有辦法區分微觀世界的不同。

那么反過來講,如果存在一種超感知的生物,它能夠體會到微觀世界的不同,那么時間的流逝對于它來說,也就是不存在的了——宇宙會是沒有過去、現在、未來之分的一整塊。

所以在這個地方,時間又失去了一個重要的組成部分:過去和未來之間并沒有本質區別。時間的流動沒有內在的規律,它只是某個時刻我們對于這個宇宙的模糊認知。

既然過去和未來沒有本質區別,那么「現在」又是什么呢?

如果你想知道你的室友在干什么,你只需要看他一眼,就能夠知道答案。如果他沒在家里,那么你給他打個電話就能夠知道。

但是你需要注意的是,當你看著對方的時候,你接收到的是他到你眼睛里面的光——光傳播到你這里的時間假設需要幾納秒。當你給他打電話的時候,聲音傳到你的耳朵里面需要幾毫秒,所以你最多只能知道你的室友幾毫秒之前在作什么——當然,這并不是一個太顯著的差距。

那假設你的室友現在在比鄰星b上,光從他那兒傳播到你這兒需要4年的時間,因此如果你用望遠鏡看他,你看到的其實只是4年前他的樣子。

「現在」對于你們來說,并沒有什么意義。

事實上,在宇宙當中,并沒有一個統一的「現在」。每一個事件都有它的過去,也有它的未來,但既不屬于過去也不屬于未來的「現在」,則是一個相對的概念。

即便你的室友在面對面跟你說什么東西,但由于光和聲音的傳播需要時間,你看到和聽到的其實是他的過去,也就是他的過去影響你的現在,而反過來你的現在也在影響他的未來。但是你們的現在之間,并不會相互影響。

于是對我們來說,組成時間的「現在」這個部分也失去了。

到頭來,時間只是宇宙中一個并不特殊的變量。

物理學家們將編織物理世界現實的東西叫作「場」,引力場就是重力的起源,而時空只是引力場,或者反過來說,引力場就是時空。

引力場和其他場,比如電磁場之間并沒有本質的區別。牛頓曾認為我們的世界就像是畫布上的一幅畫,但實際上,世界更像是畫布與畫布之間的疊加。引力場作為構成世界的一張畫布,它可以被彎曲,拉伸,擠壓。

這也就是為什么我們開頭說,在重力大的地方時間會過得慢一些:因為在那里引力場更「少」,所以時間也會更少。

而當我們將量子力學考慮進來之后,我們會發現時空其實是粒子(基本粒子,光子,引力子)相互作用的結果。這些粒子并不存在于空間當中,相反,是它們自己形成了空間。

而這種相互作用,就是時間的最基本形式。

當我們用宏觀的角度去看時,時空也許是平滑的,但是在最更小的區域里面,卻是無數的量子正在相互作用。

這其實是作者卡爾·羅威利所研究的圈量子重力論(loop quantum gravity)。

在這種理論當中,時間與空間并不是世界的容器,它只是量子動力學的近似結果。

量子的相互作用并不知道時間與空間的存在,在這個世界里面,只有事件和關系。也就是說,這是一個沒有基本物理時間的世界。

一個沒有時間的世界并不意味著一切都是靜止的,它只意味著所有正在發生的東西并非是按照時間順序發生的。這是一個由無限而無序的量子事件構成的網絡。

所以這也是為什么作者認為,一個更好的描述世界的方式,是我們的世界是由「事件」組成的,而不是由物質組成的。

如果世界是由物質組成的,那么這些物質是什么呢?原子是由更小的粒子組成的,基本粒子不過是場的短暫振動,而量子場不過又是我們用語言描述的相互作用的事件。

所以其實我們沒有辦法把物質世界看作是由事物和實體構成的。

物質與事件的區別在于,物質存在于時間當中,而事件則是一種有限的過程。

我們可以問一個石頭明天在哪個地方,但我們不會問一個吻明天在什么地方。但世界的確就是由一個個吻所編織成的網絡——而不是石頭。

  • 云不是物質,它是空氣濕氣的凝結;
  • 水波不是物質,它是水的運動;
  • 家庭不是一個東西,它是關系,過往歷史,情感的集合;
  • 一個人也不是一個東西,它是食物,信息,文字等等相互作用的結果。

從托勒密到伽利略,從牛頓到薛定諤,物理學和天文學從描述「事物是什么樣的」演變成了「事情是怎樣變化的」,他們描述的是事件,而不是事物本身。

而物質本身,只是一個短暫而單調的事件。


在印度史詩《摩訶婆羅多》里面,最古老而智慧的神Yudhistira解釋了宇宙中最大的謎團:「每天都有無數凡人死去,然而活著的人卻仿佛自己永生不朽。」

我不想在結尾說珍惜時間之類的道理,也不愿意上面的內容將你引向虛無。或許最好的方式,是我們用一種平靜的心態去探究時間的奧秘。

這本書的作者卡洛·羅威利今年62歲,他說他在年輕的時候從來沒有害怕過死亡,因為他覺得那非常遙遠。現在他60出頭的他,卻依然沒有感到恐懼。

在他眼里,死亡就像巴赫所說,不過是「睡眠的姐妹」。

生命本身是一個事件,既然如此,那它總會有結束的時候。

它像你完成的一個工作,談過的一次戀愛,哼過的一首歌,你在這些過程里面去體會和感受,而當它們告一段落的時候,你也可以帶著微笑告別。

就像羅威利所說,他現在享受著生活的樂趣:海面上的月光,愛人的吻,還有冬日下午躺在沙發上用符號和公式填滿書頁。

但即便此時一位天使出現在他面前,告訴他時間到了的話,他也只會放下手中的筆,和天使一起,帶著微笑離開。


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