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时间是幻觉吗？既然物理学无法证明它存在...
原创 2015-07-22 克雷格·卡伦德 [url=]环球科学ScientificAmerican[/url] 本文原载于《环球科学》，未经许可，请勿转载
每时每刻，我们都能感觉到时间在流淌——是时间把万事万物串连起来，构成了世间的万千变化。然而，这种时间观念不仅在物理学上找不到任何依据，还在爱因斯坦等人的连番打击下支离破碎，以至于许多物理学家现在相信，时间本质上并不存在。一个不存在时间、完全静态的世界，为何会如此千变万化？我们生活在其中的时间，果真是幻觉吗？
撰文 克雷格·卡伦德（Craig Callender） 翻译 虞骏 审校 黄庆国
在读这句话的时候，你大概会认为此时此刻——也就是“现在”——正在发生。“现在”给人的感觉很特别，只有它才是“现实”的。不论你如何留恋过去，如何憧憬未来，都只能生活在“现在”。当然，你读那句话的时刻已经不是“现在”了。这句才是。换句话说，时间给人的感觉是在不断流淌，因为“现在”总是一刻不停地“刷新”着自己。我们有一种深入骨髓的直觉，认为“未来”尚未确定，而“过去”不可更改。随着时间的流淌，这列由不可更改的“过去”、转瞬即逝的“现在”和尚未确定的“未来”构成的“列车”不断前行。这一时间观念植根于我们的语言、思维和行为当中，我们的生活方式全都有赖于此。
尽管这种思维方式非常自然，我们却找不到任何科学依据支持这一观念。物理学方程并没有告诉我们哪些事件是“现在”正在发生的——那些方程就像一张地图，却没有“你在此处”的标签。“现在”并不存在于物理学方程之中，时间的流淌也是如此。另外，爱因斯坦的相对论指出，一个特殊的“现在”根本就不存在，所有时刻都是平等的，都同等“现实”。从根本上说，“未来”的尚未确定之处并不比“过去”更多。
时间的科学理解和日常感受之间的这道裂缝，困扰着一代又一代思想家。随着物理学家将我们通常归结为时间的大多数特征一条一条从时间中剥离出来，这道裂缝已被拉得越来越大。如今，物理学里的时间和我们感受到的时间之间已经横亘着一条鸿沟，一个合乎逻辑的结论呼之欲出——理论物理学界有许多人开始相信，时间根本就不存在。
一个不存在时间的现实世界，这个概念乍听起来令人大吃一惊，因为很难想象它如何能够自圆其说。我们所做的每一件事，都是在时间中做到的。这个世界就是一系列事件通过时间串连而成的链条。任何人都能看到人的头发在逐渐变白，各种物体在到处移动……我们能看见种种改变，而改变正是某些属性相对于时间而发生的变化。没有了时间，世界就应该完全静止。主张时间不存在的理论面临的一大挑战就是：如果这个世界实际上并没有在发生变化，我们又如何能够看到改变？
最新研究试图要解释的，正是这一点。尽管时间在基本层面上或许并不存在，但它可以在更高层面上产生出来——就像桌子触摸起来是坚硬的一样，哪怕它本质上只是一大堆内部几乎空无一物的粒子。“坚硬”是粒子的一个整体属性（collective property），或者说是演生属性（emergentproperty，即那些高层次具有而还原到低层次就不复存在的属性）。同样，不管构成这个世界的基本成分是什么，时间也有可能是它们的一个演生属性。
演生时间的概念很有可能带来一场革命，就像一个世纪以前发展起来的相对论和量子力学一样。爱因斯坦说过，发展出相对论的关键一步就是他对时间的概念重建。在追随爱因斯坦的梦想——统一相对论和量子力学的过程中，物理学家相信时间又一次成为了问题的关键。2008年，基本问题研究所（Foundational Questions Institute，缩写为FQXi）以“时间的本质”为题，举办了一场论文竞赛，吸引了现代物理学界一批响当当的大牛参与。他们中有许多人坚信，大统一理论描绘的将是一个不存在时间的世界；另一些人则不愿意除掉时间。不过，有一点是所有人都认同的：不对时间进行更深刻思考的话，在大统一道路上想要取得进展多半是不可能的。
时间的起起落落
与诸多常识相符的传统时间观念，长期以来受到一系列降级的打击。时间在物理学中承担过许多工作，但随着物理学的逐步发展，这些工作已经一项接一项被“外包”出去了。
尽管初看起来或许并不明显，但牛顿运动定律要求时间拥有许多特殊性质。事件发生的先后次序，原则上能被所有观测者认同。经典物理学假定，不论某一事件发生在何时何地，你都可以客观地说出它发生在宇宙中任意一个其他事件之前、之后，还是同时。因此，时间为世界上的所有事件提供了一份完整的先后次序。“同时”是绝对的，是一个与观测者无关的事实。不仅如此，时间还必须是连贯的，这样我们才能定义速度和加速度。
经典的时间还必须有一个衡量时间持续长短的概念，物理学家称之为度规（metric），这样我们才能说清不同的事件彼此在时间上相差多远。比方说，奥运会百米短跑冠军乌塞恩·博尔特（Usain Bolt）最快可以跑出12米/秒的速度，但要使用这样的表述方式，我们必须有一个度规来标明一秒钟有多长。就像事件的先后次序一样，持续时间也与观测者无关。如果张三和李四都在3点钟离开学校，各走各的，6点钟在家碰头，那么不论是对张三还是李四来说，这段时间持续的长短都相等。
从本质上来讲，牛顿提出，这个世界生来就配备了一个地位超然的母钟。母钟以独一无二的方式，客观地将世界分割成时间的一个个瞬间。牛顿物理学只遵从母钟嘀嗒作响的脚步，无视其他时钟。此外，牛顿还觉得时间在流淌，这种流淌给我们提供了一个箭头，告诉我们哪个方向才是未来——不过严格说来，他的定律并不要求时间非得具有这些额外特征不可。
在今天的我们看来，牛顿的时间观念或许有些老土，不过只要稍加思索，我们就会为之惊叹。它的许多特征——次序、连贯、持续、同时、流淌，还有箭头，在逻辑上都可以彼此拆分，然而它们又都有机结合在一起，构成了牛顿称之为“时间”的母钟。这些特征的这种组合方式大获成功，以至于它被原封不动地传承了近两个世纪之久。
直到19世纪末20世纪初，对这一时间观念的攻击才拉开序幕。打出第一拳的是奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）。当时他推论说，不论时间是正向还是反向流淌，牛顿定律都同样适用，因此时间本身并没有内置一个箭头。相反，他提出，“过去”和“未来”的差别并不是时间所固有的，而是由宇宙中物质组织过程的不对称引起的。尽管物理学家至今仍在为这一提议的细节问题争论不休 （参见《环球科学》2008年第7期《时间箭头的宇宙起源》一文），玻尔兹曼还是令人信服地从牛顿时间中剔除了一个特征。
第二轮攻击则是由爱因斯坦发动的，他废除了绝对同时的概念。根据他的狭义相对论，事件是否发生在同一时刻，取决于你的速度有多快。发生事件的真正“舞台”既不是时间，也不是空间，而是它们的结合——时空（spacetime）。以不同速度运动的两个观测者对同一事件发生在何时何地会有不同的看法，但对于事件所处的时空位置，他们能够达成共识。时间和空间都不是基本概念，用爱因斯坦当年的大学教授、数学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）的话来说，它们“注定要消散在纯粹的阴影之中”。
到了1915年，爱因斯坦发表广义相对论，将狭义相对论扩展到了存在引力的环境中，传统时间的处境就更窘迫了。引力可以扭曲时间，因此这里流逝的一秒钟和那里流逝的一秒钟并不是一回事儿。哪怕是在理论上，同步时钟并让它们保持同步也只有在极少数情况下才有可能做到。你不能再想当然地以为，仅仅依据一个时间参数就能把这个世界一秒一秒地区分开来。在极端情况下，这个世界或许完全不可能分割成时间的一个个瞬间。如此一来，想要说某一事件发生在另一事件之前或之后也变得不可能了。
广义相对论中有许多名字里带有“时”字的函数，比如坐标时（coordinate time）、原时（proper time）和全局时（globaltime）。它们共同承担起了牛顿“时间”所做的许多工作，但它们之中似乎没有哪个能够担当得起“时间”二字。物理学并不听从这些时钟的指挥，就算听从，这些时钟也只对宇宙中的一小块区域有效，或者只对某些特定的观测者有用。尽管物理学家直到今天才开始为大统一理论必须要消灭“时间”而犯愁，但我们有理由说，“时间”早在1915年就已经丢失，只是我们一直没有充分正视这一点罢了。
时间=说书人
时间又有什么好处呢？你或许巴不得想要相信，时间和空间已经几乎没有区别了；在一个由相对论描述的宇宙中，事件发生的真正“舞台”就是一个巨大的四维立方体。相对论似乎把时间给空间化了：把它变成了四维立方体中平凡无奇的又一个方向。时空就像一大块面包，你可以沿任意方向把它切片，至于这个方向是叫“空间”还是“时间”，几乎是随意的。
然而，就算是在广义相对论中，时间也仍然保留了一项独特且重要的功能：在局域中区分“类时”（timelike）和“类空”（spacelike）方向。所谓类时相关的事件，是指相互之间可以存在因果关联的事件。一个物体或信号可以从一个事件传递到另一个事件，对发生的事情施加影响。相反，类空相关的事件则不存在因果关联。没有任何物体或信号能够从一个事件传递到另一个事件。从数学上讲，区区一个负号就把这两种方向区分开来了，但这个负号有着巨大的影响。观测者对类空事件发生的先后次序会有不同观点，但所有人对类时事件发生的先后次序都不会有异议。如果有一个观测者发觉，某一事件导致了另一事件的发生，那么所有观测者都会认同这一点。
两年前，在投给基本问题研究所参加论文竞赛的那篇文章里，我探讨了时间的这一特征有何意义。设想沿着从过去到未来的方向将时空切成“薄”片；每块切片都是某一瞬间的整个三维空间。同一切片上的所有事件彼此间都是类空相关的，把所有这些切片加在一起，就构成了四维时空。另一种方法则是，设想你从“侧面”观察这个世界，再沿相应的方向将时空切片。从这个角度来看，每块三维切片都是由类空相关事件（只在二维平面上）和类时相关事件构成的奇怪组合。这两种方法就好像是分别沿横向或纵向来切分一大块面包。
第一种方法物理学家比较熟悉，电影观众就更是耳熟能详了。电影中的一帧帧画面就相当于时空的一块块切片，显示了空间的一连串瞬间。就像电影爱好者能够立即指出情节并预言接下来会发生什么一样，物理学家也可以任取一块完整的空间切片，据此重建出其他空间切片上发生的事情，只需要直接运用物理学定律即可。
第二种切片方法就没有什么简单的例子可以打比方了。它不是沿着从过去到未来的方向来切分时空，而是沿着比方说从东到西的方向来切。这样的一个切片就好比你家的西墙以及墙上发生过和将要发生的一切。根据这个切片，你运用物理学定律去重现你家的其他地方（实际上是墙内外的整个宇宙）。听起来有些奇怪，不是吗？确实也应该奇怪。物理学定律能不能让你做到这一点，并不这么一目了然。不过加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）的数学家沃尔特·克雷格（WalterCraig）和加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）的哲学家史蒂文·温斯坦（StevenWeinstein）最近已经证明，你可以做到，至少在一些简单的情况下可以做到。
尽管两种切片方法在理论上都是可行的，实际却大相径庭。在普通的按时间切片的方法中，同一块切片上你需要收集的数据很容易获取。比方说，你要测量所有粒子的速度。一个位置上的粒子速度与另一个位置上的粒子速度是相互独立的，因此两个速度你都可以直接测量。但在第二种切分方法中，粒子的性质就不这么独立了；它们必定以一种非常独特的方式被组织起来，否则单凭一块切片就不足以重建出其他所有切片。为了收集所需的数据，你还必须对成群的粒子展开极其困难的测量。更糟糕的是，哪怕你完成了这些测量，那也只有在某些特殊情况，比如克雷格和温斯坦发现的那种情况下，你才能够重建出完整的时空。
用一种非常准确的语言来表述，时间就是时空中最有可能做出准确预言的方向——在这个方向上，我们讲述的故事包含的信息量最大。宇宙讲述的故事并不是在空间中展开，而是在时间中展开的。
量子时间
现代物理学的一个最高目标，就是要统一广义相对论和量子力学，创造出一种能够同时处理物质的引力和量子特性的单一理论——量子引力论。但统一之路上有一块绊脚石：量子力学要求，时间必须具备某些跟我刚才所说内容相矛盾的性质。
量子力学称，物体可以拥有的状态数量之丰富，远远超出了位置和速度之类的经典物理量所能描述的范畴。对一个物体的完整描述，由一个被称为“量子态”（quantum state）的数学函数给出。量子态随时间连续变化。利用这一函数，物理学家就能计算出任意时刻出现任意实验结果的几率。如果一个装置会让电子不是向上就是向下偏转，量子力学或许无法确切地告诉我们，把某个电子输入这一装置之后，它到底会如何偏转。相反，量子态或许只能给我们提供各个结果出现的几率：比方说，这个电子有25%的可能会向上偏转，75%的可能向下偏转。由相同量子态描述的两个系统可能给出不同的结果。这些实验的结果具有一定的盖然性。
量子力学的这种盖然性预测，要求时间具备某些特点。首先，正是时间使相互矛盾的结果得以共存。对于一颗骰子来说，5点向上和3点向上不可能出现在同一时刻。这两种情况只能在不同的时刻出现。这一特点关联到这样一个事实：骰子的6个面各自向上的几率加在一起必须等于100%，否则几率的概念就会没有意义。这些几率是在时间中累加的，而非地点。对于量子粒子来说，它出现在特定位置或拥有特定动量的几率，也同样遵循这一点。
其次，量子测量的次序不同，结果也会不同。假设我把一个电子输入一个装置，使电子先沿竖直方向偏转，再沿水平方面偏转。当电子输出时，我测量它的角动量。接下来，我重复这一实验，这次是让电子先水平偏转再竖直偏转，然后再次测量它的角动量。两次测得的数值会有天壤之别。
第三，量子态提供的是某一瞬间所有空间上的几率。如果这个量子态包含一对粒子，那么测量一个粒子就会立即影响到另外一个，不论它身在何处——由此产生的现象，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”，曾令他对量子力学困惑不已。爱因斯坦的困惑之处在于，为了让两个粒子能够同时作出反应，宇宙必须拥有一个地位超然的母钟，而这正是已经被相对论彻底颠覆了的概念（参见《环球科学》 2009年第4期《爱因斯坦错了》一文）。
尽管这些问题中有的还存在争议，量子力学中的时间基本上算是牛顿力学时间观念的“复辟”。物理学家曾为相对论中时间“丢失”而苦恼，不过更令人头疼的问题或许应该是量子力学中时间的中心地位。这才是大统一之路走得如此艰难的深层次原因。
时间何去何从
科学家已经提出了大量理论，致力于调和广义相对论和量子力学的矛盾，其中包括超弦理论（superstring theory）、因果三角剖分理论（causaltriangulation theory）、非交换几何学（noncommutative geometry），等等。这些理论大致可以分为两派。一派物理学家（比如超弦理论学家）认为，量子力学提供了更为坚实的基础，因此他们的出发点是“体格健全”的时间；另外一派物理学家则相信，广义相对论为新理论提供了更好的起点，时间在这里已经降级，因此对于“不存在时间的现实世界”这一概念，他们持有更开放的态度。
当然，两派之间并非泾渭分明。超弦理论学家最近也研究起了无时间理论。不过，为了表达时间提出的基本问题，我会着重介绍后一派的观点。这一派的主流理论是圈量子引力（loop quantum gravity），是由更早之前的正则量子引力（canonicalquantum gravity）发展而来的。
正则量子引力出现于上世纪五六十年代。当时，物理学家改写了爱因斯坦的引力方程，使它在形式上与电磁方程相同。他们的想法是这样的：既然有一种技巧能够把电磁学量子化，那么同样的技巧应该也能应用到引力上。20世纪60年代末，当物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）和布莱斯·德威特（BryceDeWitt）尝试这种方法时，他们得到了一个非常奇怪的结果——他们推导出来的方程（现在被称为惠勒－德威特方程）完全没有时间变量。代表时间的t就这么消失了。
在随后的几十年里，物理学家对此一直惊愕不已：时间怎么可能就这么消失了呢？现在回想起来，这个结果完全不值得大惊小怪。正如我此前提到的，早在物理学家想把广义相对论和量子力学整合起来之前，时间在广义相对论里就已经几乎消失了。
这个结果如果按照字面意思来理解，时间就没有真正存在过。法国地中海大学马塞分校（University of the Mediterranean in Marseille）的卡洛·罗韦利（CarloRovelli）也参加了FQXi举办的那场论文竞赛，他是圈量子引力的提出者之一，参赛论文题目是《忘掉时间》（Forget Time）。他和英国物理学家朱利安·巴伯（Julian Barbour）是这一观点最主要的支持者。他们还尝试把量子力学改写成了不含时间的形式，这似乎是相对论所要求的。
他们认为这种策略是可行的，因为尽管广义相对论缺乏一个全局的时间，但它仍能设法来描述改变。本质上讲，它之所以能描述改变，靠的是把物理体系与其他物理体系直接关联，而不是与某个抽象的全局时间概念关联在一起。在爱因斯坦的思维实验中，观测者用光信号比对时钟，通过这种方式来确定事件的时间。我们可以用我家厨房里一个钟的嘀嗒声来描述围绕地球的一颗人造卫星位置的改变，反之亦然。我们要做的，就是描述两个物体之间的相互关联，消去作为中介的全局时间。我们可以不用时间来描述我头发颜色变白的速度，而用人造卫星的轨道来描述。我们可以不说一个棒球以10米/秒2在加速，而用冰川的改变来描述它。诸如此类不胜枚举。时间成了多余的东西。不用时间，照样可以描述改变。
这些相互关联整齐地交织成一张巨网。如此一来，我们才能定义一个叫做“时间”的东西，然后把所有一切都与它关联，从而把我们自己从时刻留意各个物体之间错综复杂的直接关联的重担中解脱出来。物理学家能够简洁地把宇宙的运行规律，总结成含有时间项的物理学定律。但我们不应该因为时间会带来方便，就错把它当成是这个世界最基本的组成部件之一。钱，一样会使生活变得方便许多，让你不用在每次想买咖啡的时候，还要去跟人以物易物。但钱只是我们发明出来的、用于表示物品价值的符号，它本身并不是价值，也不包含任何价值。与此类似，时间让我们可以彼此关联物理体系，而不用试着去弄清楚一个冰川和一个棒球究竟如何关联。但是同样，时间也只不过是为了方便而虚构出来的一样东西，它在自然界里的存在，并不比钱基础多少。
除掉时间自有其诱人之处，但也会造成一大堆附带伤害。其中一条就是，它要求把量子力学彻底推翻重写。不妨以著名的薛定谔猫（Schrodinger’s cat）为例。这只猫悬于生死之间，命运维系在一个量子粒子的状态上。按照通常的思路，在一次测量或者某些等效于测量的事件发生之后，猫的状态就被确定了——不是生，就是死。不过，罗韦利可能会主张，猫的状态从来就没有被确定过。这个可怜的小家伙相对于它自己来说可能已经死了，相对于屋里的一个人来说还活着，相对于屋外的第二个人来说又死了，以此类推。
让猫的死亡时间取决于观测者，就像狭义相对论所做的那样，这还可以理解。但是，把相对论的精神发扬到底，像罗韦利所说的那样，连猫死亡这件事有没有发生都变成相对的，那就相当令人吃惊了。因为时间是如此基本，除掉时间可能会颠覆物理学家的世界观。
时间的复生
即便这个世界根本不存在时间，但它看上去仍然像是的确拥有时间一样。对于支持无时间量子引力的人来说，一个迫切需要解释的问题就是：为什么这个世界看起来有时间。广义相对论也没有牛顿时间，但至少它还有几个可以部分顶替时间的代用品，在引力较弱和速度较低时，它们共同起到了牛顿时间的作用。而惠勒－德威特方程就连这些代用品都没有。对于时间（或者至少是时间的幻觉）如何能从虚无中突然出现，巴伯和罗韦尔都已经各自提出了一些建议。不过正则量子引力已经提供了一个更成熟的想法。
这个概念被称为半经典时间（semi-classical time），可以追溯到1931年英国物理学家内维尔·F·莫脱（Nevill F. Mott）发表的一篇论文。那篇论文描述了一个氦原子核与一个更大的原子之间的碰撞。为了给整个系统建立模型，莫脱套用了一个不含时间项、通常仅适用于静态系统的方程。然后，他把这个系统拆分成两个子系统，把氦原子核当成是另一个原子的“时钟”来用。令人惊奇的是，另一个原子相对于氦原子核，居然遵循着含有时间项的量子力学标准方程。空间的一个函数，扮演起了时间的角色。因此，尽管这个系统整体上不存在时间，其中的各个局部却并非如此。子系统中的时间就隐藏在系统整体不含时间项的方程之中。
一些几乎相同的研究也出现在量子引力领域——继美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的托马斯·班克斯（Thomas Banks）等人之后，德国科隆大学（Universityof Cologne）的克劳斯·基弗（Claus Kiefer）在他的FQXi参赛论文中也提出了这一观点。宇宙或许不存在时间，但是你可以想象把它拆分成许多零碎，一些零碎可以给其他零碎起到时钟的作用。时间可以从时间虚无中演生出来。我们能感受到时间，是因为就本质而言，我们也只是这些零碎中的一员而已。
这个想法不仅有趣，而且惊人，但也让我们期待更多想法。宇宙并不总是能够拆分出零碎当成时钟来用，遇到这样的情况，这个理论就做不出盖然性预测了。想要处理这种情况，就必须发展出一套完整的量子引力理论，并对时间进行更加深入的重新思考。
回顾历史，物理学家最初采用的时间来源于生活体验，由不可更改的“过去”、转瞬即逝的“现在”和尚未确定的“未来”构成，结构严丝合缝。后来，他们又把这些结构从时间中逐条剥离了出去，几乎什么都没有剩下。现在，研究人员必须逆转一贯以来的思路，把我们体验到的时间从物理学里不再基础的时间中再重建出来。而物理学里不再基础的时间本身，或许也需要从本质上完全静态的世界里各个零碎之间的相互关联网络中重建出来。
法国哲学家莫里斯·梅洛庞蒂（MauriceMerleau-Ponty）主张，时间本身并没有真正流淌，它表面上在流淌，只是因为我们“暗地里往这条河中放了一个证明它在流动的证人”。也就是说，相信时间在流淌的这种倾向，是我们忘记把自己及我们与这个世界的关联考虑进去的结果。梅洛庞蒂当年说的是我们对时间的主观体验。直到不久之前，没有人曾经猜想过，客观时间本身也可以用那些关联来解释。或许，只有把世界拆分成诸多子系统，然后想找个东西去关联它们时，时间才会存在。在这样一幅图景中，物理时间正是由于我们以为自己游离于万物之外而演生出来的。
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发表于 2015-12-26 23:29
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