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時間永遠向前但沒人知道為什么
時間永遠向前但沒人知道為什么
中科院物理所     阅读简体中文版

時間有向,你不能讓已經破碎的雞蛋重圓

  新浪科技訊 北京時間6月16日消息,據英國廣播公司(BBC)網站報道,假設有這么一天,你在家里感到無聊,你把幾個雞蛋頂在頭上表演起雜耍,但你的表演不太成功,雞蛋打碎糊了你一臉。現在你將不得不去洗下臉再沖個澡,然后換上一身新衣服。

  干嘛不把雞蛋恢復回去,那樣不是更快嗎?打碎一個雞蛋只需要幾秒鐘的時間,那為什么不把整個過程倒過來做一遍?你只要把蛋黃和蛋清都丟回去,然后把蛋殼重新合上不就好了?那樣一來你就又重新擁有了一張干凈的臉,干凈的衣裳,你的頭發里沒有蛋黃,一切就像沒有發生過一樣。

  聽上去覺得很荒唐?但是你說得清哪里荒唐嗎?為什么我們不能“破蛋重圓”?

  實際上在自然界中并不存在基本的法則阻止我們讓打碎的雞蛋重新復原。事實上,物理學家們認為在我們的日常生活中發生的任何事件都可以在任何時間反向發生。那為何我們卻不能讓破蛋重圓,讓點燃的火柴恢復未點燃狀態,或者讓我們擦傷的膝蓋倒回到沒有擦傷的狀態?既然沒有基本法則禁止,那為何事情卻沒有倒轉發生呢?未來究竟為何會與過去不同?

  這個問題聽上去并不復雜,但要想回答它,我們必須回到宇宙誕生的時刻,進入原子的世界,前往物理學研究的最前沿去尋找答案。


伊薩克·牛頓的成就

經典物理學的先驅,英國物理學家伊薩克·牛頓

  正如許多與物理學有關的小故事一樣,這個故事同樣要從伊薩克·牛頓說起。在1666年,由于一場黑死病的爆發讓牛頓不得不暫時從就讀的劍橋大學休學離開,并與他的母親一起搬到了林肯郡的鄉下居住。在那里的生活幾乎與世隔絕,非常枯燥,于是牛頓便讓自己沉浸在了對物理學的研究之中。

  在這里他逐漸發展出了關于運動的三大定律,其中包括那條非常著名的論斷,即每一種作用力都存在一個與之大小相等但方向相反的反作用力。他還設想了引力如何發生作用的一種解釋。

  牛頓定律在描述現實世界方面異常成功。它可以解釋為何蘋果會從樹上落向地面,以及為何地球會圍繞太陽運行。但牛頓定律存在一個奇怪的問題:在它的體系下,如果把時間倒轉過來也一樣成立。這也就是說,根據牛頓的理論,如果雞蛋可以被打破,那么理論上它也可以重圓。

  但實際經驗告訴我們這很顯然是錯誤的。但事實是,自從牛頓以來,幾乎所有的物理學理論都存在著同樣的問題——物理學定律似乎根本就不在乎時間是向前流淌還是倒流回去,就像它不在乎你是左撇子還是右撇子一樣。

  但我們在乎。根據我們的日常經驗,時間是有前進方向箭頭的,它永遠指向未來。美國加州理工學院物理學家西恩·卡羅爾(Sean Carroll)表示:“你可能會搞混東邊和西邊的方向,但你一定不會搞混昨天和明天。但奇怪的是,基本的物理學定律并不區分過去和未來。”

  

路德維希·玻爾茲曼的發現

  時間為什么會有方向?第一位認真思考這一問題的人是一名生活在19世紀晚期的奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)

  第一位認真思考這一問題的人是一名生活在19世紀晚期的奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)。在他生活的年代,許多在今天的我們視為真理的觀點在當時仍然還充滿爭議。尤其是,當時的物理學家們并不相信物質是由一種叫做“原子”的微小粒子組成的。許多物理學家指出,有關原子的理論無法進行檢驗。

  但玻爾茲曼堅信原子是真實存在的。于是他開始嘗試基于這樣的認識來解釋生活中得到各種事物,如火焰為何會發光,我們的肺如何工作,以及為何對著一杯茶水吹氣會讓它冷卻地快一些。他認為基于原子的觀點,他可以理解所有這些事物的本質。

  有些物理學家對于玻爾茲曼的工作產生了深刻的印象,但大部分物理學家則對此嗤之以鼻。不久之后,玻爾茲曼便因為他不合正統的觀點被物理學界驅逐出去了。

  玻爾茲曼因為自己對于熱的本質的研究而深陷漩渦中央。這聽起來似乎與時間的本質并無聯系,但玻爾茲曼即將證明,這兩者之間是緊密關聯的。

  在當時,物理學家們已經發展出一套稱之為熱力學的理論,其主要用于描述熱的行為。比如說,熱力學可以解釋為何冰箱可以在炎熱的夏季將食物保持在冷凍狀態。玻爾茲曼的反對者們認為,熱是不能以其他任何東西來解釋的,因為熱就是熱,而不是別的什么東西。

  玻爾茲曼想要證明那些人都錯了。他認為熱的本質是原子的隨機運動,并且熱力學的所有內容都可以以此為基礎得到解釋。玻爾茲曼的這一觀點在今天看來是完全正確的,然而在當時的環境下,他卻不得不耗費自己的全部余生去試圖說服其他人相信他的理論。

  玻爾茲曼首先嘗試解釋一種聽上去可能有些陌生的概念:熵。根據熱力學定律,世界上的任何物體都有與之相聯系的一定數量的熵存在,并且這個物體發生的任何變化都會導致它的熵值增加。比如說,如果你把一塊冰塊放進一杯水里讓它慢慢融化,這個杯子里的熵值就增加了。

  熵值的增加與物理學中的任何其他事情都不同:它只會朝著一個方向發展,也就是熵的增加。但卻沒有人知道熵為何會如此。

玻爾茲曼的墓志銘是他發現的關于熵的數學方程

  再一次的,玻爾茲曼的同行們開始宣傳這樣的論調,那就是根本不可能就熵值為何只能增加這一現象給出解釋——它就是這樣的,沒有原因。同樣再一次的,玻爾茲曼無法對這樣的解釋感到滿意,他決定挖掘這個問題背后隱藏的更深層含義。這樣做的結果是我們對于熵的本質理解的一次巨大飛躍——這項發現如此意義非凡,以至于玻爾茲曼將它刻在了自己的墓碑上。

  

熱力學與熵的本質

只有運用原子理論才能解釋火焰的形成

  玻爾茲曼究竟發現了什么?他發現熵的本質是對原子排布方式的數量,以及它們所攜帶能量的度量。熵之所以會增加,是因為原子變得更加混亂了。

  根據玻爾茲曼的觀點,這就是冰為何會在水里融化的原因。相比固體狀態的冰,當水體處于液體狀態時,水分子有多得多的排布方式,也有多得多的方式可以在分子間 傳遞熱量。于是,便存在著太多的途徑可以導致冰的融化,但只有相對較少的途徑可以導致水的固結,也因此,冰最終消融的可能性是壓倒性的。

  相似的,如果你將一滴奶油滴到你的咖啡里,這一滴奶油將會擴散到整杯咖啡里,因為那樣才是熵更高的狀態——相比局限在一個小區域內,存在更多的排布方式可以讓這一滴奶油的成分粒子擴散到整杯咖啡。

  在玻爾茲曼看來,熵是有關概率大小的概念。具有低熵的物體顯得整潔(有序),因此難以存在。高熵物體顯得混亂(無序),也因此更有可能存在。熵總是增加的,因為物體顯得混亂要比顯得整潔容易得多。

  這聽上去有些令人沮喪,尤其如果你是一個喜歡將自己住的屋子收拾的干干凈凈的人的話。但玻爾茲曼關于熵的認識卻的的確確有著一個正面的意義:它似乎可以解釋時間箭頭的存在。

  玻爾茲曼對于熵值為何永遠增加的問題的探索,反過來為尋找我們問題的答案提供了啟發:為什么我們永遠體會到時間向前流逝?如果宇宙作為一個整體從低熵狀態逐漸向高熵狀態演化,如果是那樣,那么我們將永遠無法目睹事物的反向發生。

把一塊冰塊投入一杯水里,它當然會融化

  我們無法目睹破碎的雞蛋恢復如初,這是因為存在著無數中排布這些雞蛋碎片的方式,而其中幾乎所有的排布方式最終的結果都是一個破碎的雞蛋而不是一個完整的雞蛋。相似的,融化的冰不會倒回去,點燃的火柴不會倒回去,你擦傷的膝蓋也不會倒回去。

  玻爾茲曼對于熵的定義甚至還可以解釋為何我們可以記得過去而不是未來。請想象一下相反的情況:假設你擁有對某一事件的記憶,然后這一事件發生,再然后你對于這一事件的記憶消失。從概率上講,你的大腦發生這種情況的可能性非常非常低。

  根據玻爾茲曼的理論,未來之所以看上去與過去不一樣,僅僅是因為相比過去,未來的熵增加了。不過,他挑剔的反對者們從玻爾茲曼的理論中找出了一個推理上的“瑕疵”。

  

“過去假設”與低熵宇宙

時間是宇宙的內在屬性嗎?

  玻爾茲曼指出,隨著我們逐漸向著未來滑去,熵將增加,這是如原子那樣微小粒子行為概率學上導致的結果。然而這些微小粒子本身也是遵循基本物理學原理的,而那些基本物理學原理卻并不區分過去和將來。

  于是玻爾茲曼的理論中便出現了一個棘手的悖論:如果你說朝未來發展,熵值將會增加,那么我也可以說,隨著倒回過去,熵值將會增加。玻爾茲曼說,因為產生破碎 的雞蛋要比產生一個完好的雞蛋容易得多,因此有理由預期完好的雞蛋將會變成破碎的雞蛋。但這里同樣存在另外一種解釋:完好的雞蛋是難以出現的小概率事件, 那么雞蛋應當在大部分的時間里處于破碎狀態,只有在非常偶發的情況下才會呈現出完好的狀態,但也應該只能持續很短的時間,隨后就應該再次回到破碎的“常見狀態”才對。

事件一旦發生就不能倒回去

  簡而言之,你可以運用玻爾茲曼有關熵的理論來證明:過去和未來應當看上去是相似的。但這并非我們的日常經驗告訴我們的事實,于是我們又回到了最初的那個問題——為何時間會有方向?

  對此,玻爾茲曼考慮了幾種解決的方式。其中效果最好的一種被稱之為“過去假設”(past hypothesis)。這一理論非常簡單:在遙遠的過去的某一時刻,宇宙曾經處于低熵狀態。

  如果這一假設成立,那么玻爾茲曼理論框架中的“瑕疵”將不復存在。過去和未來看上去將會很不一樣,因為過去的狀態熵值要比未來的狀態低得多。因此,雞蛋一旦打破將無法恢復。

  這樣的解決方式非常簡潔有力,但卻會引出一個全新的問題,那就是:你怎么知道所謂“過去假設”理論是正確的?既然低熵狀態是難以出現的,那么為何在遙遠的過去宇宙竟然會處于這樣一種“難以出現”的狀態?

  玻爾茲曼未能解決這個問題。玻爾茲曼本身是一名狂躁抑郁癥患者,在自己的觀點被主流物理學界多次拒絕之后,他確信自己畢生的工作都將會被人們所遺忘。1906年在的里雅斯特附近的一次家庭度假期間,玻爾茲曼用上吊的方式結束了自己悲劇的一生。

  他的自殺尤其具有悲劇色彩,因為就在他死后不到10年時間里,物理學界開始認識并接受他有關原子的理論觀點。另外,在接下來的數十年間,新的發現表明或許存在著一種方法,可以解釋“過去假設”所設想的情形。

   

宇宙大爆炸

  混亂的宇宙。一個擁有星系,恒星和行星的宇宙實際上比充斥著高溫致密氣體物質的原始宇宙具有更高的熵值

  在20世紀,我們對于宇宙的認識發生了徹底的改變,我們發現宇宙是有開端的。

  在玻爾茲曼的年代,大多數物理學家相信宇宙是永恒的——它一直是存在的,過去是,將來也是。但在20世紀20年代,天文學家們發現所有的星系都在遠離我們而去。他們意識到,宇宙正在膨脹。這就意味著,在過去的某一時刻,宇宙曾經聚集在一起。

  在接下來的幾十年間,物理學家們逐漸達成一致意見,我們的宇宙是從一個極度高溫致密的“點”開始的。這個“點”快速膨脹并冷卻,形成了我們所知的一切事物。這一從微小的一個點開始發生的迅速膨脹過程被稱為“大爆炸”。

  這似乎可以支持“過去假設”理論。卡羅爾表示:“人們會說,好吧,很顯然早期宇宙是處于低熵狀態的。但為何從一開始,在大約距今140億年前的宇宙初期會處于低熵狀態,這個問題我們目前還無法解答。”

我們現在知道宇宙的年齡大約有140億年

  平心而論,一次巨大的宇宙大爆炸事件聽起來并不像是某種能夠與低熵相聯系起來的事物。畢竟,爆炸的規模是巨大的。在早期宇宙中存在許多不同的方式可以重新安 排物質和能量,使之仍舊能夠保持高溫,微小并處于膨脹狀態。但正如事實已經證明了的那樣,在周圍存在大量物質的情況下,熵可能會有所不同。

  請想象一個巨大的空曠空間,在它的中央位置時一團質量與太陽相當的氣體云。引力將把氣體物質聚集到一起,最終這些氣體物質將逐漸形成團塊并發生塌縮,新的恒 星誕生了。但如果熵是永遠增加的,那么所有這些又怎么可能發生?因為很顯然,氣體物質處于稀疏和分散狀態下的可能方式遠多于聚集。

  

量子力學與相對論的局限

恒星和行星是從巨大的星云物質中經過塌縮冷凝而形成的

  關于這個問題的答案在于引力。引力會對熵產生影響,但物理學家們仍然不甚理解其具體的作用方式。對于一個具有足夠大質量的物體,相比致密和均勻的狀態,形成 團塊是熵值更高的狀態。因此一個擁有星系,恒星和行星的宇宙實際上比充斥著高溫致密氣體物質的原始宇宙具有更高的熵值。

  這就意味著我們遭遇到了一個新的問題——那個從大爆炸當中形成的,充斥著高溫致密氣體的宇宙是低熵的,因而應該是不太可能出現的。卡羅爾表示:“如果有一袋子宇宙,你伸手進去隨便掏出一個,那么你不太可能會掏出一個像這樣的宇宙來。”

  那么我們的宇宙究竟如何會以這樣一種“不太可能”的狀態開端?對于這個問題,我們目前甚至還不清楚究竟哪種回答才應當算是令人滿意的。正如美國紐約大學的物理學家蒂姆·麥德林(Tim Maudlin)所言:“究竟什么樣的理論才能被認定是對于宇宙初始狀態的解釋?”

  一種觀點是認為在宇宙大爆炸之前還存在著其他東西。這樣的想法可以解釋宇宙早期的低熵狀態嗎?

  卡羅爾和她以前的一個學生曾經一起提出過一個模型,該模型認為有大量的“嬰兒宇宙”正從它們各自的“母宇宙”中誕生出來并不斷膨脹,形成一個個與我們所處的宇宙相似的多重宇宙。這些“嬰兒宇宙”可以以低熵的狀態開端,但這一“多重宇宙”作為一個整體,其熵值一直是很高的。

  如果這一理論假設成立,那么我們之所以會觀測到早期的低熵宇宙,只是因為我們不能看到更大尺度上的圖景。同樣的情況也適用于時間的方向性。卡羅爾表示:“這種理論認為,從更大尺度上觀察,更高層級的宇宙中過去與未來是一樣的。”

有觀點認為我們生活的宇宙是諸多類似的宇宙之一,即所謂“多重宇宙”

  然而并非所有人都同意卡羅爾或其他任何人對于“過去假設”的解釋。正如卡羅爾所言:“有很多的說法,但其中甚至沒有一個是看起來很有希望成功的,更不要說確鑿無疑的理論了。”

  其中面臨的困難之一就在于,我們目前最好的理論仍然無法處理宇宙大爆炸時的情景。而如果我們缺乏描述宇宙誕生時情況的理論體系,我們也就根本無法解釋為何當時宇宙會處于低熵狀態。

  對此,當代物理學家們主要依賴于兩種基本理論基礎。其中之一是量子力學,其主要用于解釋微觀粒子,如原子的運動,而廣義相對論則可以描述宏觀大質量物體,如太陽的行為。然而這兩大理論體系卻無法相互融合。

  

“萬物理論”

物理學的能力仍然是非常有限的,它無法為所有事物的本質給出解釋

  因此如果有一樣東西質量非常大,但同時又非常微小的時候——比如大爆炸時期的宇宙,物理學便進入到一個完全陌生的領域。因此如果要想描述此時宇宙的情況,就必須將描述大質量天體行為的廣義相對論與描述微觀粒子行為的量子力學統一起來,構建起一套新的“萬物理論”才能做到。

  這一終極理論將是我們理解時間單向性的關鍵。英國愛丁堡大學的物理學家瑪麗娜·柯提思(Marina Cortês)表示:“找出這一終極理論將最終讓我們了解大自然是如何構建出空間與時間的。”

  然而不幸的是,盡管已經經過長達數十年的努力,迄今物理學家們仍然未能找到這樣一個萬物理論。但至少我們已經有了一些可能的候選理論。

  目前看來最有希望的“萬物理論”候選者之一便是所謂的“弦論”,該理論認為所有亞原子粒子實際上都是由微小的“弦”所構成的

  其中看起來最有希望的一項理論便是所謂“弦論”,該理論認為所有亞原子粒子實際上都是由微小的“弦”所構成的。弦論的主要觀點還包括認為空間擁有額外的維 度,超出傳統認識中的三維,只是其他維度發生的卷曲而只存在于微觀尺度;除此之外,該理論認為我們生活在某種形式的多重宇宙之中,并且在不同的宇宙中物理 學定律是不同的。

  所有以上這些聽上去都顯得非常古怪。然而大多數粒子物理學家都將該理論視作是我們最終通往萬物理論最有希望的途徑。

  但這并不能幫助我們解釋時間方向性的問題。正如幾乎所有其他的基礎物理理論一樣,弦論的方程并未在過去與未來之間勾勒出一道明顯的界限。如果弦論最終被證實是正確的,那么它或許無法對時間的方向性作出解釋,于是柯提思開始嘗試尋找更好的解決方案。她與加拿大滑鐵盧的圓周研究所(Perimeter Institute)的李·斯莫林(Lee Smolin)合作,試圖找出可以替代弦論,并在最基礎的層面上兼容時間有向性的新理論。

  柯提思與斯莫林指出,我們的宇宙是由一系列完全獨特的事件所組成的,完全相同的事件永遠不會重復出現。而每一組事件的發生只能對下一組的事件產生影響,而時 間的有向性正在建筑在這一基礎之上的。柯提思表示:“我們希望,如果能夠用這類方程開展宇宙學研究,我們將最終抵達宇宙最初始階段的狀態并發現它并非是特 別的。”

  這與玻爾茲曼的解釋完全不同,他當時對此給出的解釋是,時間的有向性只是概率論規則下的一種現實結果。柯提思表示:“時間并非真的是一種錯覺。它真實存在并且真的在向前流逝。”

  但大部分的物理學家都贊同玻爾茲曼對于這一問題的解釋。大衛·阿爾伯特(David Albert) 是美國哥倫比亞大學的一名物理學家,他表示:“玻爾茲曼在很早之前就指出了解決這一問題的正確方向。這里存在著實實在在的希望,如果你挖掘地足夠深入,你 就會發現整件事正是玻爾茲曼所指出的那樣。”卡羅爾對于這番言論同樣表示贊同。他說:“如果大爆炸時低熵的,那么它就是如此。我們可以解釋過去與未來之間 存在的所有不同。”

時間永遠向前,但沒有人知道這是為什么

  不管是通過這種方式還是那種方式,要想解答有關世間有向性的問題,我們就必須解釋存在于宇宙肇始之初的那個低熵狀態,而要想給出這樣的解釋,我們需要用到“萬物理論”——不管它究竟是弦論,柯提思和斯莫林提出的新理論或者是其他什么理論。但人們在搜尋萬物理論的道路上已經辛苦前行了90年,我們究竟發現了什么?如果哪天我們真的找到了這樣的理論,我們又如何能知道這就是那個正確的“萬物理論”?

  我們可以用某種非常微小但密度又非常高的物體去測試這一理論。但我們無法回溯時間,回到大爆炸發生的時刻。另外,不管最近的某部科幻電影中拍攝的如何離奇,我們是無法進入黑洞并將信息發送出來的。那么如果我們真的想要搞清楚為何雞蛋破碎后不能復原,我們究竟能夠做點什么?

  就目前而言,我們最大的希望就在于人類歷史上建造過的最大型機器——大型強子對撞機(LHC)。LHC是一臺超級粒子加速器,在法國和瑞士邊界地下建造了長達27公里的加速軌道。它能將質子以接近光速的速度迎面對撞,并在這樣的超高能級對撞中制造出新的粒子。

  歐洲大型強子對撞機(LHC)地下管道一角。現在更加強大的LHC已經準備就緒。如果我們的運氣足夠好,升級后的LHC設備將有望產生人們此前從未接觸過的新的基本粒子,從而為科學家們最終揭示“萬物理論”提供幫助

  在過去的兩年時間里,LHC正在經歷停機檢修,但從今年開始它將重新開始運行,并將首次達成全功率運行狀態。2012年,在半功率運行的情況下,LHC幫助人們成功發現了希格斯玻色子,這種被人們稱作“上帝粒子”的神秘粒子賦予了其他粒子以質量的屬性。這項成果被授予了諾貝爾獎,而現在更加強大的LHC已經準備就緒。如果我們的運氣足夠好,升級后的LHC設備將有望產生人們此前從未接觸過的新的基本粒子,從而為科學家們最終揭示“萬物理論”提供幫助。

  LHC設備將需要數年時間采集必要的數據并進行相應的處理與解譯。而一旦科學家們完成對所有數據的解譯,或許我們就能最終弄明白那個該死的碎雞蛋究竟為什么不能再圓回去了。(晨風)

原標題:時間永遠向前但沒人知道為什么 從宇宙起源說起

來源:新浪科技


2015-08-23 08:55

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