未來已成定局?愛因斯坦時間觀遭挑戰
2018年08月19日09:36

  我們能夠感覺到時間在不停地流逝,但在愛因斯坦等物理學家看來,時間只是我們的感官所引起的錯覺,過去、現在和未來並沒有什麼不同,早已被書寫在四維的塊宇宙之中。來自開普敦大學的宇宙學家埃利斯卻向這種觀點發起了挑戰,他結合廣義相對論與量子力學,構建了更符合我們直覺的時間觀。

圖片來源:pixabay
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  喬治・埃利斯(George Ellis)並不害怕對抗權威。作為開普敦大學的宇宙學家,埃利斯把自己的目光放到了更為抽像的事物上:時間本身的流逝。

  阿爾伯特・愛因斯坦(Albert Einstein)在20世紀早期首次提出,傳統理論認為的時間流逝只是一種錯覺。過去和未來之間並沒什麼不同,都早已成定局。然而對於埃利斯來說,這種主流理論的哲學含義並不和我們的直覺相違背;他認為傳統的想法很危險,因為他們剝奪了我們的自由意誌與道德責任。埃利斯的科學目標是把時間帶回物理學領域,讓宇宙可以創造自己的未來,並賦予我們改變命運的能力。

喬治・埃利斯認為愛因斯坦走得太遠了――未來還未定。
喬治・埃利斯認為愛因斯坦走得太遠了――未來還未定。

  塊宇宙假說

  17世紀時,在牛頓的《數學原理》里,這位英國的物理學家構建了一套符合我們日常經驗的時間觀。他描繪了一塊宇宙中通用的秒錶,它的滴嗒聲讓整個宇宙的時間在每一秒、每一分鍾、每一小時里均勻地流逝。在牛頓的觀念里,不論你的位置和運動狀態,你都會同意埃利斯在劍橋大學三一學院的長凳上花了十分鍾喝完了咖啡。而每隔15分鍾,他都能聽見三一學院華美鍾塔的鈴聲,這座鍾塔早在年輕的牛頓第一次踏進校園的半個世紀前就矗立在這裏,精準地記錄著時間的流逝。

  1905年,愛因斯坦推翻了牛頓的宇宙存在絕對時間的和諧圖景。取而代之的是不協調的、相對的時間觀,該觀點認為不同的人對同一事件的持續時間可能有不同的感知,甚至不同事物的發生順序也不一致。年輕的愛因斯坦意識到,時間事實上是我們所觀察到的三維空間之外的第四維度,也在此基礎上創造了被稱為“塊宇宙”(block universe)的現實圖景。

  埃利斯認為,為瞭解釋塊宇宙是怎麼一回事,你可以想像對一個地點進行連續拍照,比如劍橋的學生們帶著書本去參加考試,憂心忡忡地走過三一學院的場景。如果你將拍攝的照片一張接一張地順序播放,你可以將其製成一部電影,時間在其中自然地流逝,這與我們對時間流逝的感知一致。但如果你將照片全部堆疊在一起,學生們穿過院子的過程將一次性完整地展現在你眼前。第二種情況就與塊宇宙的觀點類似,過去、現在和未來是同時存在的,時間流逝一說並無意義;所有事件都是相互並存的。

  當然,一組照片只能展示沿著時間拍攝到的空間的兩個維度。將其擴展到整個宇宙的三維空間,還要包含宇宙全部的歷史以及未來會發生的所有事,這樣就能得到愛因斯坦理論下完整的塊宇宙,就像一份靜止的記錄,包含了所有曾經發生和將要發生的所有事件。

  埃利斯強調,塊宇宙與播放一段連續時刻的電影不同,塊宇宙因為其中沒有一個明確的時間點可以用來標明“現在”,不同的個體對哪個時刻屬於“現在”的認知並不一致,不存在一個獨一無二的標記來區分已經固定的過去和開放的未來。就像兩個學生坐在院子裡的不同角落,從他們各自的角度看到的三一學院的鍾塔的影子長度不相等,對於時間來說也是一樣:愛因斯坦意識到在塊宇宙中時間也只是另一個維度,那在時空中不同位置的觀察者對於同一個事件的持續時間可能有不同的意見。也許有人會準確指出埃利斯花在喝咖啡上的時間不只10分鍾。

  不僅如此。在愛因斯坦的塊宇宙中,不同的觀察者看到的事件的發生順序也可能不同,就像院子裡不同位置的學生對於埃利斯是在鍾塔的左側還是右側會有不同的看法。一個人覺得埃利斯在鍾塔敲響下午2點的鍾聲之後才喝完咖啡,而另一個人覺得喝完咖啡的時間在2點之前。這些差異完全取決於觀察者在塊宇宙中運動的速度和方向,因為這會影響這些事件發出的光到達觀察者所需要的時間。以人類所能達到的速度來說,這種差異小到難以察覺,但已經被在國際空間站和高速飛機上所做的實驗證實。

  那麼在塊宇宙中,對一些人來說是未來的事在另一些人看來其實是過去,這要取決於觀察者的位置和運動狀態。未發生的事件對另一些人來說已經發生。未來對於你來說可能是未知數,但卻早已成定局。愛因斯坦自己是這樣描述的:“對我們這樣相信物理的人來說,過去、現在和未來之間的差別只是一種頑固而持久的錯覺。”

  大多數物理學家已經學會接受愛因斯坦的宇宙觀點以及宇宙的基本方程,確定所謂時間的“前進”方向是任意的,但埃利斯的直覺認為還有更深的次層需要研究。他說:“我回到這裏嚐試研究對事物真實的感受”。

  對於思考時間的流動來說,沒有什麼比劍橋大學數百年歷史的三一學院更好的去處了,雖然愛因斯坦認為未來與過去一樣真實,埃利斯依然認為未來只是可能性的集合,直到它融入現在這個時間點。

  流失的時間

  雖然埃利斯對於塊宇宙里的時間觀保留意見,他依然欽佩愛因斯坦,而且在1960年搬到劍橋攻讀世界著名的宇宙學家丹尼斯・夏瑪(Dennis Sciama)的博士學位時,這種敬意更深了。在擔任研究人員的開始幾年,埃利斯贏得了世界級宇宙學家的聲譽,因為他解決了愛因斯坦時空方程中一些棘手的數學難題。

  埃利斯欽敬愛因斯坦的數學獨創性,但是塊體宇宙理論從哲學意義來說,認為未來和過去都是註定,這一點埃利斯表示懷疑。

  在劍橋,埃利斯很快就與年輕的斯蒂芬・霍金(Stephen Hawking)一起工作,他們同在夏瑪的門下。霍金因為投身於研究宇宙起源以及黑洞本質而聲名大噪,但是埃利斯並沒有這般待遇。1973年,33歲的埃利斯離開了劍橋大學,並結束了與霍金密切的合作研究,回到南非的開普敦大學數學系建立了自己的團隊。

  到了他學術生涯的晚期,埃利斯在2005年時將他的注意力轉移到了困擾他學生時代的基礎物理學難題:在沒有時間的現實觀念中,要如何解決其中個人主體缺失的問題。為此,他重新審視了愛因斯坦的塊宇宙觀,著眼於開發一種保持最佳特性的新模型,這個模型既包含了實驗已經驗證的時間相對性,也同時也恢復了另一個觀點:本質上現在與過去和未來是區分開來的。

  埃利斯的新模型並不是要顛覆塊宇宙理論,而更像是對其的改進。他從2006年起發表了一系列備受關注的論文,在其理論框架中,埃利斯保留了四維時空,而且符合相對論的預測。然而,他認為愛因斯坦把這個觀點推的太遠,沒有必要假設第四個維度已經延伸至無窮遠處。因此埃利斯的模型與愛因斯坦的關鍵區別在於:未來的邊界並不包含所有將要發生的事。

  相反,時空的前沿標誌著“現在”向外逐漸延伸,一刻接著一刻,將明天的可能性在昨天就確定下來。“明天的宇宙將會比今天多一天”,埃利斯說:“過去是真實的,並且能夠對現在的我們施加影響,但未來還不存在,也無法影響我們。”

切碎塊體宇宙
切碎塊體宇宙

  埃利斯的計算表明,雖然相對論預言不同觀察者見到的不同事件發生的順序不同,但與他的塊宇宙延伸理論並不矛盾。在埃利斯和愛因斯坦的圖景中,不同觀察者所看到事件發生的時間差異與光從事件抵達觀察者的時間有關。在愛因斯坦看來,這些事件和未來的所有事件可以共同存在。但埃利斯認為,這些事件必須存在於過去已形成的塊宇宙中,這樣這些事件才能被定下來並且傳輸到其他人。同樣,埃利斯也認為,兩個觀察者無法對同一事件的持續時間達成一致,只會在事件已經發生之後。因此,埃利斯的時間模型保留了足夠的塊宇宙來符合相對論的預言,但不包含愛因斯坦激進地將第四維度延展至無窮未來的假設。

  如果埃利斯是對的,他要如何解釋宇宙的前沿不斷向前推進的機製?他說“界面就是不確定的未來不斷轉化為確定的過去的地方”。他從物理家們所熟知的另一個物理學分支上看到了希望,這個分支認為能夠將顯而易見的不確定性轉化為確定的現實。它屬於量子力學的領域,這是一種能夠控製亞原子粒子行為的奇特理論。

  量子水平上都是由機會和概率決定。例如,我們無法預測粒子確切的運動狀態,包括粒子的位置和能量,直到你去測量它。而在此之前,這個粒子由無數的可能性構成,處在由無數可能的位置、速度、能量所組成的“疊加態”。然而,一旦粒子被觀察,這個含有各種可能性的泡沫將破裂,坍縮為一個單一、隨機但確定的狀態。這是一個嚴格的單向過程,一旦狀態坍縮,粒子將無法自然地回到之前的多重態。而被觀測之前我們也無法預知粒子坍縮後的狀態,最終結果無法預先設定。

  這種看起來與愛因斯坦的塊宇宙相矛盾的理論已被實驗多次證明。幾十年來物理學家深知量子力學與廣義相對論無法相容。兩者對時間的自然狀態有不同的觀點,前者認為時間是自然流逝的實體,而後者卻認為時間只是我們主觀感受產生的錯覺。這種分歧成為了統一量子力學和廣義相對論的主要障礙,而統一的量力引力理論將能解釋從原子到行星的宇宙萬物。

  量子力學的實驗給了埃利斯信心,他堅信時間是真實存在的,而愛因斯坦的單一塊宇宙理論存在錯誤。“一些物理學家認為未來已經在今天已經確定,但我認為他們還沒有認真地考慮量子不確定性,”埃利斯說,“對我來說,量子不確定性意味著未來的事在它真的發生以前都還是未知數。”

  他認為在他的塊宇宙延伸理論中,不確定的未來通過一系列微小的量子事件逐漸凝結為確定的過去。在每個事件中,粒子經過自身內部矛盾力量的鬥爭,從開始的不確定量子狀態轉化為一個明確的狀態。隨著鄰近的粒子都經曆了這一過程,確定性的波浪將開放的未來變為已定的過去。

  未來之路

  埃利斯也許已經構建了一個將時間重新放回物理學的框架理論,但要說服他的同行們還很睏難。牛津大學客座教授朱利安・巴伯很欽佩埃利斯,但他始終認為“時間”應該徹底從物理學的領域中剔除出去。他認為,有些東西感覺起來很自然,但並不意味著它就是對真實世界的準確描述。

  巴伯說:“這讓我想到當年伽利略試著說服亞里士多德主義者地球是繞著太陽轉的。”直覺告訴我們腳下的這個星球堅實又平靜,雖然伽利略的想法與直覺相悖,但他終究是對的。巴伯相信,我們在時間的流逝中運動的想法,有一天也會像地心說那樣成為一種古老的觀念。

  加州大學聖地亞哥分校的物理學博士克雷格・卡倫德(Craig Callender)也能感受到埃利斯的沮喪:“物理學家們一直在嘲笑我們的時間體驗,認為那隻是幻覺,是一種過時的想法。但即使這是幻覺,那也是最令人信服的一種”。塊宇宙延伸理論可能是對的,卡倫德說,但在埃利斯能夠說服大部分同行之前,他還需要對量子過程有更嚴格的解釋,在實驗中這一過程通常隻影響亞原子物體,它如何層疊推進以致對整個宇宙產生影響。

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  另一種反對意見認為人的觀測能夠讓粒子的疊加態收縮為確定狀態,但宇宙中存在大片人類無法觀測到的區域,又由誰來提供這種觀測過程?埃利斯則反駁道,量子坍縮並不一定需要一個有意識的觀測者,粒子每次發生碰撞,也能撞破它們的不確定狀態。這種觀點被稱為退相干(decoherence),已被物理學家普遍接受。

  埃利斯說:“在我看來,量子坍縮無時無刻、無處不在地發生”。他指向一顆灑滿陽光的樹,補充道:“每當一粒光子照射到一片樹葉,這顆粒子的量子不確定性就會坍縮。”

  埃利斯承認他的想法還只是推測。“我不會說我的想法牢不可破,”他承認道,“但我認為在我的理論框架中,每件事都能講得通。”

  並且他還認為證明的責任不在他,而在於那些宣稱時間只是幻覺的人們。埃利斯說,畢竟,他的模型不僅僅通過量子實驗讓時間看起來真實,而且也符合我們的一般感覺,“這個實驗我們每個人,每時每刻都在進行。”生活本身就是一個得以支援他的理論的實驗。

  作者:澤亞・梅拉利(Zeeya Merali)

  翻譯:林誌鵬

  原文鏈接:http://discovermagazine.com/2015/june/18-tomorrow-never-was

  來源:環球科學ScientificAmerican

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