让时间停止,是人类文明自古以来从未放弃的梦想

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发表时间:2023-11-27 08:55来源:新京报

意大利物理学家、费米奖、基础物理学特别突破奖获得者奎多·托内利在《时间:从霍金到量子纠缠》这本书中,从经典物理中的时间、相对论中的时间和量子力学中的时间三个方面,带领我们沿着一条曲折的道路、从全新的角度去认识时间。

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下文经出版社授权,摘编自《时间:从霍金到量子纠缠》中文版作者序言以及该书书摘。

《时间:从霍金到量子纠缠》,奎多·托内利著,联合读创|河北科学技术出版社 2023年10月。

作者|奎多·托内利

我之所以写了这本书,是因为时间不仅是科学家的问题,也关系到我们所有人,每个人都有亲身体会。我想人人都曾在某个时刻思考过时间的本质:它到底是什么,为何一去不复返。

人类从几千年前就开始探寻,古代圣贤留给我们这样的教诲:时间毁灭一切,每过去一个时刻,生命就离终结更近一步,这注定的命运无人能逃过。

人在年轻时不会太在意能活多久,似乎一切都会永远存在,于是也就急不可耐地想走进未来,因为时间仿佛没有流逝。然后,随着年龄的增长,当脸上出现第一条皱纹时,生命时间从指间溜走的感觉就会渐渐浸入我们灵魂深处,慢慢变成一种微微的焦虑。

我们人类所在的物质世界中,一切都以一种周期性的节奏重复着,似乎永无止境,不会改变。日夜交替,月盈月缺,四季变换,划分着我们的一生;地球、太阳、月亮,以及点亮夜空的无数星辰,亘古不变。时间在它们身上循环往复,成就它们的不朽,但这不适用于我们,我们的时间不是一个圆,而更像一条线段,有始有终。

从这种深层的焦虑中,从这种原始的宿命中,诞生了人类发展史上最美丽的事物。埃及金字塔和秦始皇陵的设计和建造都是为了能永久留存。君王要名垂千古,于是古人造出了雄伟的建筑,可与最恢宏的大自然相媲美。

为后世千百年留下印记的愿望也催生了伟大的哲学体系,产生了柏拉图和孔子的思想,以及杰出的艺术品和科学本身。我们深深地知道人生有限,随时可能终结,所以自古就思索着时间。

过去的伟大思想家几乎都探讨过时间,艺术家、画家、诗人、音乐家也一样,但所有对时间的构想在想象力与创造性上都无法与现代科学的发现相比。大约一个世纪以前,当科学家开始研究亚核级微观尺度和宇宙级宏观尺度上的时间时,他们被惊得目瞪口呆。

于是我写了这本书,来和读者分享科学在最近几十年中获得的美妙知识,它不仅讲述科学理论和发现,还囊括了古老神话、艺术、诗歌、文学、历史,以及人类的恐惧。

这本书让我们风驰电掣地回到过去,回到一个没有时间的世界,微小的泡泡在无声的漩涡中上下舞动,没有行星、恒星,也没有其他任何一点儿物质,只有“空”。我们会发现,时间就诞生于此时,138亿年前,在这个微小的泡泡之中,很小的一点儿时空和很少的一点儿物质—能量混在一起,然后一切膨胀到超乎想象。我们会发现,时间与空间密不可分,被物质—能量扭曲,时间是一种物质,一种基本的成分,在我们宇宙的形成中有决定性作用。我们还会发现,时空包含能量,这种能量能振动、摇摆,产生传播几十亿光年的波。

本书是三部曲中的第二部,此三部曲旨在用通俗易懂的语言讲述现代科学对世界的认知。第一部《创生》(Genesi)讲述宇宙的起源,之后这第二部考察了另一个困扰人类千百年的重大问题。我愿和读者分享这些奇妙的主题和概念,其美丽和创意甚至超越天马行空的想象。

科学不仅属于科学家,也关系到所有人,因为从科学中诞生的看世界的方法反映在社会中,反映在我们的社会关系里。过去是这样,现在也是如此:当科学改变时,我们看待物质和宇宙诞生的方式也会改变,我们联接个体和社会的方式也随之改变。

因此,让所有人尤其孩子迅速接触到最新的科学发现并掌握这些发现带来的世界观就非常重要。在知识时代,中国在世界舞台上将更加光彩夺目。通过阅读本书,中国的年轻人也可获得更先进的工具、更深刻的意识,更有准备地去面对未来的巨大挑战。

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《时间的风景》剧照。

杀死克洛诺斯之梦

不可避免的熵增迫使我们意识到,时间的箭头不可能掉转方向:俄耳甫斯不能回到过去让自己不看妻子欧律狄刻最后一眼,奥赛罗也无法弥补自己曾经犯下的错误。

不过,在不违反任何物理规律的情况下,是有可能让一个系统回归到它的初始状态的。这只是代替“回到过去”,因为时间还是在前进。我们无法回到过去,但如果清楚地知道了系统所有组成部分在之前那一瞬间的状态,便可以准确复制出同样的情况,这是对过去事实的一种精准重建。

实验是在非常简单的量子系统中进行的,其自发演变通过耗费能量被逆转。但是在这些案例中,与其说是逆转时间,不如说是映射时间:以外部干预让系统回归初始状态。即便如此,这种逆转也只能在少量基本粒子组成的系统中进行。

复杂系统或宏观物体无法逃避等待着它们的命运。时间的单向流动在太多领域得到证实,让人无法再抱有任何幻想。我们的时间观念清楚地区分了过去和未来,其箭头方向与熵增主导的热力学过程、宇宙的演化一致。宇宙有确切的诞生日,并一直随着时间的前进而膨胀。我们无路可逃。

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停止时间的古老梦想

如果逆转时间不可能,那我们只能寄希望于让它停止。这种时间“冻结”的状态对光子等无质量粒子或黑洞中心的奇点是很自然的,对人类却完全不可能。自然规律在这方面展示得已非常清楚明白,但并不妨碍我们设想一个超自然的干预。

人类自古就梦想着停止时间,并把这种能力寄托于神性,认为只有那些活在时间之外的人才能掌控时间。在克洛诺斯的奴仆所在的世界中,变化才是王道,诞生、存在和死亡是无可避免的过程。而没有时间的世界则不生不灭、永恒不变。永恒是时间的反面,让人怀疑时间不过是一个假象、一场随时可能醒来的幻梦。于是,时间的流逝也失去了意义,成了单纯的表象,随时可以被打断。

要想停止时间,我们可以像《圣经》中的约书亚那样求助于上帝耶和华。在遭到迦南五王的攻打时,基遍人派信使向约书亚求救。约书亚和他的部队彻夜行军,但当他们到达战场之时,太阳却即将下山。敌军趁天色渐暗撤退,想以黑夜作掩护逃走。于是,约书亚祈求上帝满足他复仇的愿望,结果时间静止了,日月都停在天空中不动,太阳继续照耀大地,以色列的子孙在可怕神谴的帮助下大杀敌军。

几千年后,这一幕又在戏剧性的背景下重现于世——一个犹太青年请求上帝让时间停住,只是这次的原因要高尚得多。这次的主角是亚罗米尔·赫拉迪克,他是博尔赫斯1944年出版的小说集《虚构集》中《秘密的奇迹》一篇里被判枪决的剧作家。

1939年3月19日夜里,赫拉迪克在布拉格被盖世太保逮捕。他是犹太人,又签了反对“德奥合并”的声明,这足以把他送上刑场。计划的行刑时间是3月29日上午9点。

博尔赫斯设想赫拉迪克写了一些关于时间的重要著作,比如《永恒辨》。这部作品是虚构的,但名字中其实暗合了博尔赫斯自己的两部作品:《永恒的故事》和《卡巴拉辨析》。《永恒辨》的第一卷回顾了人类设计出的所有形式的永恒,从巴门尼德的“不变实体”到查尔斯·霍华德·欣顿的“可变过去”。后者是19世纪末的英国数学家,写过一些科幻作品,其中有些作品曾专注于“第四维度”。在博尔赫斯想象出的第二卷中,赫拉迪克证明了宇宙的所有事实无法构建一个连贯的时间序列。

在焦躁地等待即将来到的死亡时,赫拉迪克最关心的是完成自己最后一部悲剧《仇敌》。这是他最重要的作品,是注定要载入史册的。他的所思所想全都是要把它写完,但离行刑日没几天了,他肯定来不及完成。

于是,到了最后也是最残忍的那个夜晚,赫拉迪克向上帝祈祷,让时间停止,再给他一年时间来完成他的著作。这一晚他根本不能安心入睡,不停地做噩梦,在痛苦中醒醒睡睡。伴着时钟那不知疲倦的嘀嗒嘀嗒声,他开始了与时间的斗争,或者说与“时间幻象”的斗争。

黎明时分,他被带到行刑队面前,这时他已经失去了一切希望。士兵在场上排成一排,端着枪指向他,队长下达了开枪的命令。就在这时,标题中的“秘密的奇迹”发生了。

整个世界都冻结了。赫拉迪克动弹不得,子弹也没打到他,队长的胳膊停在半空,擦过赫拉迪克太阳穴顺着脸颊滚下的雨滴也停止了运动。风停了,院墙边嗡嗡作响的蜜蜂停在半空,它固定的影子投射在一块砖上。惊讶过后,赫拉迪克明白这是他的祈祷应验了。他会有一年的时间来完成他的作品,尽管他只能在脑中构思、书写、修改、补充,因为他和周围的一切一样动不了。

经过一年无法言说的努力,作品终于完成,每个细节都修改妥当,他心满意足。最后一个形容词,他也找到了。雨滴又开始划过他的脸颊,蜜蜂飞走了,四颗子弹击中他的身体。赫拉迪克死于1939年3月29日早上9点02分。

当代社会已让美和神圣变得苍白无力,所有力气都被花在物质财富和外表上。在这样的世界中,停止时间以完成艺术作品的文学幻想恐怕不会有多少人认同。停止时间的古老梦想反倒化作疯狂的自恋、一场与时间流逝的近身肉搏,其动机远没有博尔赫斯想象出的高尚。

人类一直很注重维护自己的形象,因为他们知道,在任何族群中形象语言对建立关系和等级都极为重要。饰品和发型、文身和面具、服装和彩绘都有强大的沟通作用:可以代表凶狠或高人一等,可以让人敬重,也可以成为引诱的工具。

几千年前,人类就有保养身体、掩饰缺陷、掩盖年龄的行为,许多史前墓葬中都发现了首饰、珠宝以及颜料痕迹。有关古埃及、古希腊、古罗马精英阶层护肤化妆的无数记载也家喻户晓。年老代表智慧,是受尊重的,但很少有当权者能抵抗让自己显得年轻而有活力的诱惑。

用各种技巧来对抗时间流逝古已有之,但我们的文明简直对此着了魔。由此产生了一个欣欣向荣的产业:不仅有关注健康的医院和药厂,更有打着“永葆青春”旗号的造梦工厂,他们的盈利就来自让人以为自己可以停住时间,而无力负担者只能听任克洛诺斯的统治。

永远年轻的梦想不只迷惑了亿万富翁和电影明星,这种疯狂现在已经渗入社会各阶层。只要能让沧桑的脸庞和衰老的躯体重焕光彩,去掉任何提醒我们人终有一死的标记,一切牺牲都值得。他们不想像伦勃朗的自画像那样,他们只想任凭岁月流逝,在镜中看到的都是越发年轻鲜活的自己。他们梦想着让生命倒放。于是,我们之中就有了一些面目吓人的人,他们采用各种手段掩盖岁月的痕迹,而结果往往比本来要掩盖的皱纹和瑕疵更可怕。他们以为自己实现了道林·格雷的梦想,却不知道自己在公共场合展示的,正是他们以为已经束之高阁,远离了众人视野的那幅画着一张怪异变形的脸的肖像画。愚蠢的人在寻找阻止克洛诺斯的捷径时,往往会变得盲目而不自知。

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时间杀手

杀死时间的诱人想法在历史上曾出现过许多次,并一直吸引着我们,让我们着迷。彻底消灭克洛诺斯的古老梦想,现在以新理论和现代科学假说的面目回到了我们面前,值得我们探究一番。

时间是否只是一种幻觉?也许几千年来,人类都在关注一个不存在的东西,一个根本没有实体的东西。自从物理学的范式被20世纪初的理论革命彻底动摇后,一代又一代的科学家都致力于将广义相对论和量子力学结合起来。构建引力的量子描述贯穿了整个20世纪,因为它比预计的要复杂得多。为了将最“万有”的相互作用量子化,地球上最厉害的几百个头脑都参与到非凡的努力当中。几十年来,这方面的研究工作让人们开始重新思考时间的概念。

一切都始于美国物理学家约翰·惠勒和布莱斯·德维特的研究,以及一次过久的候机过程。约翰是普林斯顿大学的教授,20世纪30年代末起爱因斯坦也曾任教于此。第二次世界大战期间,约翰·惠勒曾在洛斯阿拉莫斯实验室参与曼哈顿计划,之后又跟随爱德华·泰勒造出第一枚氢弹。再次回到大学工作后,他决定投身最冒险也最困难的研究:统一广义相对论和量子力学。与他合作的是德维特,这位也是非常出色的理论物理学家,比惠勒小十几岁,生活在北卡罗来纳州,两人是非常要好的朋友。20 世纪60年代中期,经常出差的惠勒有一次要在罗利-达勒姆机场中转去往费城。由于下一班飞往费城的飞机还有几个小时才起飞,于是他决定打电话给住在附近的好友德维特。惠勒问他想不想借此机会讨论一下两人的研究,德维特欣然同意了,并马上带着笔记——上面记着他最近在研究的一个公式——前往机场。就在那几个小时里,两人为一项研究打下了最初的基础,其成果在几年后被斯蒂芬·霍金称为“描述宇宙波函数的方程”。

惠勒-德维特方程无法解决所有的量子引力问题,但会成为其他许多发展的基础。值得注意的是,此方程中没有出现时间。物理学家们第一次显露出这样一个可怕的怀疑,又或者是暗暗的希望:时间并不是现实的基本组成。换句话说,在基本层面上描述宇宙并不需要时间。

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惠勒和德维特描绘了一个被“冻”住的宇宙,它没有变化,好像被锁定在一个永恒的瞬间。这让人想起中世纪的某些神秘主义者,通神时的灵魂出窍也让他们的时间停在那一刻。

接下来的几年里,不同的量子引力理论被发展出来。最有前途的两种至今依然是纯粹的思想体系,在某些方面还互相矛盾,而且往往还是强烈对立的。第一种是弦理论,第二种是圈量子引力论(Loop Quantum Gravity,缩写为LQG)。

“弦论”名下其实集合了诸多略有差异的理论模型,它们的共同点是认为组成物质的基本粒子不是无维度的实体(点粒子),而是无限小的一维结构——振动的“弦”。标准模型中的各个基本粒子也就成了这些“弦”空间运动的宏观表现。这种理论可将几种基本相互作用统一起来,也可将量子力学和广义相对论结合起来,只要假设有许多额外的空间维度即可。

但它们只对宇宙诞生之初能量极高的情况可用,在围绕着我们的又“冷”又“老”的世界中,它们都被锁进了极微小的尺度,连LHC也无法探测到。

第一个提出弦理论的是意大利物理学家加布里埃莱·韦内齐亚诺。20世纪60年代末提出此理论时,他正在欧洲核子研究中心工作。美国物理学家兼数学家、普林斯顿高等研究院教授爱德华·威滕则被认为是超弦理论、M 理论(M 理论是弦理论的进一步统一)等最完整和最有希望的模型之父。

另一个领域,即“圈量子引力论”领域,出发点则完全不一样,它不关注物质的组成,而关注物质所处的背景——时空——的性质。爱因斯坦提出的平滑结构变成了有细微颗粒的体系;极小尺度上观察到的空间不再是我们目前所见的“连续体”,而是有许多被称为“圈”的微小颗粒。从这一假设出发,引力的量子化是顺理成章的结果,但时间从基本方程中消失了,就像惠勒-德维特方程所展示的那样。

1988年,美国理论物理学家李·斯莫林和意大利理论物理学家卡洛·罗韦利首先提出了圈量子引力论。斯莫林目前在加拿大多伦多附近的滑铁卢普力米特研究所工作,罗韦利因其畅销全世界的科普著作而闻名。

在圈量子引力论中,描述世界的基本方程不含时间变量,这引起了很大的轰动。在其基本层面上,时间会变成无用的概念。圈量子引力论的支持者认为,彻底放弃时间这个没用的负担,或许能更好地从最细微之处理解宇宙是如何运转的。这些言之凿凿的判断经过大众媒体的放大变成了吸睛的标题:“时间不存在”“物理不需要时间”“时间只是假象”。因此,有人戏称斯莫林和罗韦利为“时间杀手”。

作者/奎多·托内利

摘编/李永博

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