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時間哪裡去了?一位量子物理學家的看法

2024-02-03 22:07:26

今天看了看卡洛.羅韋利(Carlo Rovelli)對時間的看法,非常感興趣的,之前看的很多關於量子力學的科普文章,也瞭解了一些他的觀點。他認為量子物理學已經改變了我們對世界的認知,這一點我覺得有待商榷,但是也說不出來個所以然,所以多加了解總是沒錯的。他被媒體稱為“下一個斯蒂芬.霍金”,主要從事量子引力研究,是圈量子引力理論的奠基人。今天聊下他做的一篇關於時間的演講,主要觀點是時間不存在。我們可以瞭解一下他的獨特的思路。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

首先,他的觀點就是時間是不存在的。

拿起兩隻表,確保它們顯示同一時間。現在一隻舉高,一隻放低,讓它們在這樣的位置上停留一小會兒,然後再把它們放回到一起,看看上面顯示的時間。如果我們用的時鐘,比這兩隻更精確一點的話,它們就不再會顯示相同的時間了。那隻被舉高的會走的慢一點,而被放低的那隻則會走的慢一點。(其實這個例子感覺不太有說服力,因為根據我們的觀察,我們看不到這麼細小的變化,他在書中,用的例子是生活在山上的人,比生活在山下的人顯的老,很多人也都用這個實驗,而且都能夠觀察到,所以比較有說服力)

回到他說的兩隻表吧,我們懂意思就行了,如果表非常精確,可能確實會發生不同的情況。在這兩隻表上,我們很難觀察到太多的東西,因為不夠精確。但今天,人們已經制作出了極其精確的時鐘裝置,這就是其中的一個例子。它是位於科羅拉多州的博爾德原子鐘,是用於確定美國官方標準時間的計時器之一,也有一些小的,一般用作商業用途,它們也可以讓我們觀察到這種效應,它們裝在小盒子裡,如果我們從中拿出一個放到低處,再把另一個放在高處,當你再把它們放在一起時,就發現它們顯示不同的時間了——高處走的快,低處的時間慢一些。想象一對雙胞胎兄弟,哥哥搬到山上,弟弟在海邊,很久之後才再次見面,弟弟會比兄弟更年輕一點。

所以,不僅是時鐘會受到引力場高度的影響,也包括存在於時間中的一切的現象,衰老、我們思想的快慢、一朵花兒的綻放,所有一切,一個搖擺的鐘擺,時間在高處過的快,在低處過的慢。在90年代初期,當人類把最初的人造衛星發射到軌道上,為了用它們導航到時候,就是安在我們汽車裡面的這些東西,它們能告訴我們位於什麼地方。物理學家曾告訴那些工程師說,當心,在衛星上時間過的更快,因為這些機器是靠接受衛星發出的訊號來工作的,而衛星上有一個時鐘,那個時鐘走得比我們在這裡的人所預料的要快,所以設計系統時必須要考慮到這一點,工程師們說,“好吧”,但這整個專案,無論當時還是現在,一直是由美國軍方主導的,GP S也是美國軍方在管理,因此領導這個專案的是些美國的將軍,當別人跟他們說,時間走得更慢了或者更快了之類的,他們就:“時間?更慢了?更快樂?這不可信。”所以第一批 被髮射上去的衛星裝載了雙重系統,它們既可以在考慮這種效應的前提下運作,也可以不考慮這種效應,那個忽略了該效應的版本一點用都沒有,一個全球定位系統如果不把時間在衛星上過的更快這一事實納入考慮的話,就無法起作用,所以最後就連那些美國將軍也不得不信服時間在高處過的更快這種效應是真實存在的。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

這說明什麼?這意味著時間不是我們所想象中的那樣,這意味著我們不能認為存在一個單一的“時間”,它在所有地方都是一樣的。某種意義上講,我們必須這樣思考它,在高處、在低處、在左邊、在右邊,對於那些移動得最緩慢的人,以及那些以很高速度移動的人,時間都是以不同的速度流逝的,我們必須改變我們想象世界的方式,從認為有單一的為所有人報時的時鐘,到認為存在許多不同的時鐘,每個人都有自己的時鐘。世界是一個由所有這些以不同速度轉動的時鐘組成的大合唱團,這顯得陌生而令人費解。‍‍‍‍‍‍

這不是我們第一次改變我們想象世界的方式了,地球是平的,還是個球體?我們身處的房間是靜止的還是一直在移動的?它是靜止的,不,我們知道它在動,它在繞著太陽高速轉動。一隻燕子,是從另一隻燕子那裡來的,它的母親是一隻燕子,它的外祖母也是一隻燕子,如此這般,我是由另一個人類生出來的,生我的那個人也是由另一個人類生出來的,而那個人類也是如此,等等。所以,我和燕子不可能是同一個祖先。不是的,我們和那些燕子來自相同的祖先,所以,為什麼會說這些?我們會懷有一些關於這個世界的、樸素自然的看法,而它們是錯的,這不是因為它們,不適用於我們的生活,它們與我們的生活經驗相當一致,事實上,正是因為這個我們才持有這些看法。它們在我們的尺度上是很不錯的。然而,當我們不在這個日常的尺度上看待生命的時候,它們就沒有那麼好了,不在10年,100年或1000年,而是在以百年計的尺度上,或者,當我們思考那在非常遙遠的地方,在非常快速,非常微小或非常大的物體上發生的事。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

有一個例子非常好,可以幫助我們理解時間,關於高和低的。物體從高處向低處落下,那是高處,這是低處,這是我們所感知的世界的一個最基本的結構,我們用“高”和“低”這些概念來組織我們的世界,對嗎?一個地方都通用的方向指示高或者低,這並不完全是真的。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

對於我們這裡是高的東西,對於悉尼就是低的。不僅如此,如果我們離開地球,在地球之外,其實並沒有“高”“低”之分,那些宇航員,我們在照片裡見到過的,他們會向任意的方向移動,“高”和“低”的概念在宇宙裡是不能存在的。這對概念只有在這裡,只有對我們來說才有效。它是一種方便、有用的,幫助我們組織構建身邊這個世界的,但如果我們一旦像宇航員那樣,離開這個行星它立刻就變得無用,也沒有意義了。我們都會發現自己過去看待世界的,那種樸素的直覺方式是錯誤的。很妙的是,在所有例子中,包括時間這個例子,實際上都要複雜一點。

現在,我們可以很容易地接受地球是個球體,並且在地球以外的地方,沒有高或低的區分,我們看到了“阿波羅11號”上宇航員們拍攝的照片,在他們前往月球的路上,我們看到地球的確是個球體。但在那以前我們就已經知道了地球是個球體了。亞里士多德知道、阿那克西曼德也知道地球是球形的,而且它在飛。地球是在移動的,現在我們從地球外面看見了它的樣子,但是伽利略和哥白尼不需要看見,他們靠推理得出了同樣的結論。達爾文也沒有親眼看見過物種的變化,但是他知道。

這些人是如何僅憑推理就獲得了這樣的理解呢?只是從我們關於這個世界已知的事物出發,觀察,再把已知事實放到一起,然後注意到這些已知的事實可以被更好地理解。如果我們改變我們自己關於我們看待世界之方式的結構的認知,一這種方式他們這些人就獲得了對新事物的認識,關鍵的是這樣一個事實,時間在低處過的慢,而在高處過的快,這個現象是我們今天可以直接觀察到的,只要購買這些極為精確的手錶,任何人都可以看到這個事實,但在這個現象還沒被觀察到的時候就已經有人理解了它,這個人就是愛因斯坦。那是在1915年,當時他只是在試圖澄清一些關於他那個時代所認識到的世界的物理學觀點。一方面,愛因斯坦手上有牛頓的理論,那些偉大的力學定律,但另一方面,也有電磁學,他試圖將這兩個領域的理論結合到一起以得到一個完整融貫的對世界的理解,他意識到時間對每個人來說流逝的速度是不一樣的,有許多不同的時間,時間以各自不同的速度前進。

這是在100多年前,現在,同樣的事情正在發生,因為今天我們再一次身處同樣的情境中。我們有幸從愛因斯坦那裡繼承了這些極美的理論。我們發現,這些理論在過去的一個世紀裡始終是有效的。我們證實了它們,我們觀測到了黑洞的存在。與此同時,在整個20世紀裡量子力學在不斷發展,我們聽到Marco向我們解釋了粒子物理學的世界,並且是完全透過量子力學來解釋一個漂亮的關於運動的理論,但這個理論與愛因斯坦的理論不太相容,它不符合廣義相對論。於是,科學再一次地努力嘗試著從我們已知的東西出發,利用它們去獲得新的洞見,‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

1963年,兩位傑出的美國科學家,約翰.惠勒和布萊斯.德維特,他們兩個直接把愛因斯坦的廣義相對論方程式和量子物理學結合到了一起寫了一個新的方程式,惠勒把它叫做“德維特方程式”,而德維特把它叫做“惠勒方程式”,其他人決定叫它“惠勒-德維特方程式”。這個方程式,首先它很令人困惑,圍繞它有過許多研究,直到今天,我們還在繼續研究它。今天這個理論被進一步發展了,我們可以把它寫得更精確一些,來更好地理解它的重要意義,這就是羅韋利正在做的事兒。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

這個方程式有一個特徵,在當時讓所有人都震驚了,驚訝得張口結舌,這個方式,是透過把我們關於世界的所有認識結合到一起而寫出來的,從頭到尾,所有的認識,它有下面這個特點:所有方程式,如果你還記得你在學校上過的物理課的話,所有那些重要的物理學中的基礎方程式,從伽利略到牛肚、麥克斯韋、愛因斯坦等等,它們都是關於事物是怎樣隨時間而發生變化的,現在又回到了時間,這個方程式裡無一例外都有一個t,它代表時間,無論是速度,還是加速度,隨著時間而變化,方程式裡永遠有個“時間”。“時間”這個變數被丟下了,它消失了,它不在那兒,這就好像是,當我們試圖寫下我們關於這個世界所知的一切時,時間就不存在了。這意味著什麼?‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

寫下一個方程式來解釋這個世界而裡面沒有‘時間’意味著什麼?‍‍‍

我們回到更基本的物理學,所有小朋友最初開始上物理課的時候所學的第一件事就是,比如說,一個鐘擺是如何移動的或者一個別的什麼東西是如何動的,我們需要去描述物體的位置如何隨時間而變化。所以我們就需要測量位置和時間,用的是鐘錶。我們先看看物體的位置在哪裡,再看看鐘表上的時間是幾分幾秒,畫一張表格,然後寫下一個方程式來描述位置是怎麼樣隨著時間移動。但是,這裡我們實際上在觀察的不是時間,我們觀察的是位置——針表的位置。鐘錶的錶針移動,而鐘錶也在移動。我們只是在描述這個物體的位置是怎麼隨錶針的位置變化而變化的。如果仔細考慮一下的話,會發現這就是我們一直在做的事。我們永遠在將一個變數描述為另一個變數的函式。鐘錶,它們只是物體,是所有運動中的物體中的一類,但它卻同時擁有與所有物體共同運動的性質,與所有事物共同運動的性質。

這意味著什麼?‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

這意味著我們可以拋棄掉“時間”這個概念,而僅僅談論“這個擺動的運動和時鐘的指標的運動之間的關係”。我們可以不說“我今天早上8點醒來”,而改為說“我今天早上是在太陽位於天空中如此這般的一個位置時醒來的”,根本不需要提到“時間”。我們再舉例“高”和“低”,可以說,這個高而這個低,但我也可以完全避擴音到,高和低這兩個字,我們可以說這個是朝著頭頂那邊的明亮的光的方向,而那個是朝著我腳底下這個紅色的圈的方向。如果我生活在地球上的話,這麼做會讓我的生活變得更麻煩些,但我要是個飄在太空艙裡的宇航員那就不一樣了。我對我的朋友說:“可以把高處的那隻鐘錶遞給我嗎?”他會回答:“什麼高處?”(因為太空艙里人是旋轉的)但如果我說“朝著紅色地毯方向的那隻”,他就會明白我指的是哪個,所以,“高”或“低”這對概念,一旦我們離開地球,它就沒有用了。也即是,時間這個概念它會消失,會失去意義。一旦我離開這個正常的空間進入另一個,我必須在其中使用量子重力的空間。

這個空間是什麼?

在那裡,事物或是極大或是極小的地方,就在這個世界上但我們至今還沒對其得到清晰理解的地方。如果我們觀察那些極微小的事物,在極其微小的尺度上觀察,空間,空間本身就是變得動盪、不穩定,像起了暴風雨的海面。但那裡,在極其微小的尺度上存在的,就是“時空”,就好像時間跳躍了那樣,這兩隻鐘錶各自以不同的速度在自己的路上前行。而在最微小的空間裡,它們前進,又後退,它們往各個方向移動,等等。‍‍‍‍‍

在這個極微小的尺度上,我們關於時間的概念不再適用了,因此我們不得不使用其它變數重新描述這個世界,不使用“時間”,重新描述世界。就好像有一堆的鐘表,但它們沒有了指標,於是我們只能看到一個物體相對於另一個物體的運動。為了有這個概念,試想一下:我們將世界看成所有運動著的物體的總和,這些物理變換著、它們跳著舞,並且它們全都是在一位樂團指揮的協調下做這些的。而在微小尺度上,這個形象不成立了。對於極其微小的事物而言,不存在一個統一的節奏,而世界就像一場舞會,其中每個微小的組成部分,都在和自己的鄰居跳舞,但它們不在一起跳。‍‍‍‍

這整個故事告訴我們什麼?‍‍‍‍

時間是個有用的概念,它能夠組織我們的日常經驗,但它不是一個基本的概念,就像“高”和“低”也是很有用的概念,但一旦我們離開了日常熟悉的環境,它們就毫無用處,這對於很多東西都成立。我們對世界的理解和對世界的感知常常是錯誤的、或是有侷限的,或只適用於我們周圍熟悉的環境。而人類就像某個出生於偏僻小鎮的人,在那裡所有人的行為都一樣,直到他們離開,然後說:哦,原來外面還有其他世界。人類拋棄了他們思想中那些狹隘的東西,然後發現一切都不一樣了:生物會從一種變換成另一種。“高”和“低”並不實在,“時間”並不像它一開始看上去的那樣。如果我們把目光放得更遠一點,它們就不再有效。

【如果一件事讓你停止思考它的意義,那它大機率就是意義本身】

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