這一切要從一句詩說起,劉禹錫的「沉舟側畔千帆過,病樹前頭萬木春。」《酬樂天揚州初逢席上見贈》,我相信大家對這句詩都是很熟悉,所以吳老師今天要說的是這句的前面一句
「懷舊空吟聞笛賦,到鄉翻似爛柯人。」這裡有個爛柯的故事,說的是王質去山中打柴,觀仙人對弈,在山中逗留了片刻,人世間已經發生了巨大的變化。
看到仙人下棋,這無疑告訴我們是一個神話故事。而且呂洞賓也經歷過類似的經歷,聊齋志異中也有這種橋段。正所謂「天上一天,人間一年」。
可是,如果有人一本正經的告訴你,這種天上一天,人間一年的事情確實存在,而且這個人還是非常出名的物理學家,你信不信?
不管你信不信,反正我信了!
這個物理學家就是卡洛.羅韋利,他之前寫的《七堂極簡物理課》暢銷40多個國家。而今天吳老師要說的是這之後,他寫的另外一本書《時間的秩序》,2018年被《時代周刊》評為十大非虛構好書,奇異博士 本尼迪克特.康伯巴奇認為這是一本不可思議的書,並為本書傾情朗讀。
本書分為三個部分,第一部分用事實挨個證明大眾對時間的直覺認識是錯誤的。第二部分著重介紹作者自己所從事的圈量子引力領域(沒有時間的世界)。第三部分嘗試尋找創造時間的元兇(時間的本質)。
第一部分 手撕大眾認識的時間
如果讓你說說對時間的認識,或者說總結下時間的特點,你會怎麼說?
也許你會說,哦,這個嘛,時間看不到摸不著,但是確實存在。它無聲無息,逝者如斯夫不舍晝夜。
也許你會說,時間是最公平的,對於每個人來說每天都是24小時。
也許你會說,時間是單行道,從過去到未來……
沒錯,這些就是我們慣常認識的時間的特性,均勻連續,從過去到未來,獨立於其他事物存在。
可是這些都是正確的嗎?
讓我們一一把這些標籤撕掉!
第一條 時間是均勻的。 錯!
有事實證明,山上的時間比海平面要快!而速度快的物體要比靜止的物體時間流逝的慢一些。
也許你感覺這不可思議吧!
科學家做的實驗就是兩個人分開,一個在高海拔的高山,一個在低洼的平原。幾年後,兩個人的時鐘經歷的時間是不一樣的,在平原上生活的人度過的時間更少,變老的更慢。 也就是時間在較低位置比較高位置要少。這樣看來,如果距離差距足夠大,不是天上一天地上一年,而是天上一年,地上一天!
也就是說,你的鐘表放到地板上和放到桌子上,經歷的時間是不一樣的,當然這個差別是很小很小的。
關於速度對時間的影響,20世界70年代人們發現飛機上的時鐘要落後於地面上的。也就是說,運動的物體比靜止的物體經歷更短的時間段,他們會長得更慢一些,更年輕些。所以年輕人要多運動總是沒錯的。而且研究電磁關係的麥克斯韋方程組也揭示了速度變量對時間的影響。
我們寧願在海平面做一條遊來遊去的魚也不做在雲彩裡睡覺的小豬。
所以到了這裡你就發現原來時間不是那麼公平的,也不是均勻流逝的,有時快有時慢,就像一條大河裡的水流,中間的湍急岸邊的緩慢。
第二條,時間是按順序從過去到未來。錯!
也許你會說,至少時間就像大河,它是從這頭流向那頭而且是不可逆的!
沒錯,也就是我們認為的時間從過去到未來。
那麼如何分辨過去和未來呢?答案是 當下,當下之前的是過去,當下之後的是未來。我們接下來看看卡洛.羅韋利是如何終結當下的。
你看到我在讀書,認為我現在正在讀書,也就是我當下在讀書。而實際上,你看到的我在讀書,是光線照到你眼睛裡經過複雜反應才讓你看到的,而這個過程需要光線從我這裡出發到達你眼睛裡,這需要時間!當然這點距離對於光速來說是小KISS,幾乎可以忽略不計。
我們做個極限假設,你的弟弟小明住在另外一個星球,它距離我們四光年,也就是說光速到達地球需要四年時間。這時候你通過望遠鏡看到他在吃西瓜,你認為真實的他是在吃西瓜嗎?NO NO,難道是他的時刻起四年後的他在吃西瓜?似乎你看到了他的未來?另外一個星球的一年和地球的一年根本不是一個相等的時間段,我們根本無法找到一個共同的此時此刻!
真相就是我們說的當下就是說的我們周圍的當下,它僅僅是一個氣泡大小而已,根本不會延伸到整個宇宙。
那麼我們說的當下這個氣泡有多大呢? 這取決於我們限定時間的精確度。如果精確到納秒,這個當下的範圍也就是只有幾米而已。如果用毫秒,有幾千公裡,我們人類對幾十分之一秒都不太感冒,從看膠捲電影我們就知道了,這樣我們整個地球看成一個當下是沒大問題的。這就是一個最大近似值的當下。
不屬於過去也屬於未來的時間段是當下,這個當下在地球是幾十分之一秒,在火星上是十五分鐘,在比鄰星b上是八年,在仙女座星系中有數百萬年!
宇宙中更是有神奇的黑洞,黑洞的邊緣是現在,裡面是未來,而邊緣處時間會減慢,甚至時間會靜止。
我是誰?我在哪裡?發生了什麼事? 到了這裡我們失去了當下這個重要的時間屬性。
在此我們還不得不提到熱力學第二定律。
這個公式是目前人類社會唯一一條能夠把過去和未來分開的物理定律。
dS ≥ 0
Delta S 永遠大於零。
這裡的S,是克勞修斯引入的用來度量熱量單向不可逆過程,來源於古希臘語,在中國我們翻譯成「熵」。(我國物理學家胡剛復教授首次把entropie譯為「熵」,讀作 shāng,帶火字偏僻而且首字母為S,我私底下很是感覺貼合這個單位的含義)
熵在孤立系統中會增加或者保持不變,但是永遠不會減少。
克勞修斯說,不可能把熱量從低溫傳到高溫物體而不引起其他變化。
這句話什麼意思呢?簡單解釋就是:僅僅在有熱量的地方時間之矢(方向性和不可逆性)才會出現。
這個神奇的方程式不是很好理解。後來奧地利人路德維希.波爾茲曼發現了這個方程式背後的含義。
他說熵之所以會存在是我們以一種模糊的方式來看世界的。也就是熵增加就是無序的自然增長,世界由有序走向無序。什麼?僅僅用模糊這個詞就完了?你是不是在騙我? NO NO,他的解釋是很正確的!
如果我們能清楚的看到分子原子的運動,那麼過去和未來就沒有什麼區別。也就是說在微觀世界,時間是沒有意義的。而在宏觀世界,時間的流逝並不具有實在性,那只是宇宙某一個點模糊的映像。
時間的流逝只是我們看不到微觀世界,時間的存在是世界由有序慢慢變為無序狀態的過程。總之就是我們認為有時間的存在只是來源於我們模糊看世界。
3.時間於萬事萬物外獨立存在。錯!
我們對時空的直覺認識大多受牛頓經典物理學說影響。牛頓認為時間是獨立存在的實體,是事件發生的順序。是絕對的,真實的,數學的,是可以計算的。同時他也認為空間也是獨立存在的。這很符合我們的直覺感受。
而在此之前,亞里斯多德不這樣認為。他認為時間是對變化的度量,空間是指周圍有什麼。
這兩位巨人的觀點截然相反,而且似乎都很正確。
幸好愛因斯坦來了,整合亞里斯多德和牛頓時間的觀點是愛因斯坦最有價值的成就。愛因斯坦認為時空就是引力場。當引力場平緩展開就是會像牛頓描述的那樣,但是這個引力場並不總是平滑展開,它有時會被拉伸彎曲,所以就會出現速度和高度對時空的影響。
你看時間並不會獨立於萬物而單獨存在,引力場會影響它,而我們模糊看世界的原因才感到了時間。
如果再用現代量子學審視時間,你甚至會發現時間是不連續的,就是說有一個最短時間,間隔著連在一起,只是我們會像看膠捲電影一樣,認為畫面是連續的。
亞里斯多德說的好,時間就是描述變化。一個白天就是太陽從升起到落下,一個晚上就是太陽落下到下一次升起之間的變化。一個小時就是時針從四移動到五的變化。
第二部分 沒有時間的世界----圈量子引力方程
作者把我們認為的時間的標籤全部撕掉了,時間除了這些標籤外,那還剩下什麼?就像一場大風颳走了一切,我們要來到一個沒有時間的世界!!
量子引力方程通過變量之間的可能關係來描述世界。
1967年第一個不包含時間變量的量子引力方程首次出現,被稱為 惠勒--德維特方程。
作者研究的圈量子引力方程式是惠勒--德維特方程的現代版。圈理論沒有宣稱自己是科學的終極理論,但是它力求在迄今為止我們所理解的世界進行自洽(能自圓其說)的描述。
世界不是物體的集合,而是事件的集合。石頭過去被認為是一個物體,但是我們認為石頭是一個事件,石頭形成之前是各種分散的物質,由於物理的 化學的 地質學 量子場震動等等各種變化形成了石頭這個事件,而事件存在的時間是有限的,經過一段時間石頭這個事件總歸要毀滅,變成灰塵或者其他。而這就又是另外一個事件。
相互關聯的事件網絡組成世界,其中的變量遵循概率法則。光子,電子,原子以及各種場,包括引力場都在一個層次上。他們在相互作用中顯現自身。空間臨近的關聯形成一個網,我們稱之為「自旋網絡」,自旋網絡中一個環成為圈,這就是圈理論名字的由來。
空間與時間不再是容納一切的容器,他們不過是量子動力的近似,這裡只有事件與關聯,是一個沒有基礎物理學中的時間的世界。
作者謙虛的說自洽理論,其實到目前為止真的能完全解釋的通呢!
第三部分 難點!到底什麼是時間?!
你說我們認為的時間是錯誤的,你又說這世界可以沒有時間, 但是我們感覺到的時間到底是怎麼一回事呢?
在這裡作者列出了兩個比較難以理解的概念:熱學時間和量子時間。
熱學時間
一個系統的能量在時間中是守恆的,能量和時間有著密切的關係。
宏觀態-----能量------時間, 這樣解讀得出時間被確定下來僅僅是「模糊」的結果。
量子時間
羅傑.彭羅斯認為愛因斯坦的相對論與我們關於時間的經驗並不矛盾,但是對它解釋的不夠充分。他認為量子在其中也發生了一些作用。 而阿蘭.科納進一步指出量子作用在時間根源起到了深刻的作用。 分子的速度與位置,先測量速度再確定位置和先確定位置再測算速度會得出不一樣的答案,這被稱為量子變量的「非對易」。這種速度與位置的順序正是時間數序的最初形式。
也許你永遠不可能知道什麼是時間,但是你可以試圖知道時間的秩序。
我們看到太陽每天東升西落,實際上是地球在繞著太陽轉。我們感覺到時間在流逝,其實和我們的視角有很大關係。
廣袤的宇宙如此巨大,它存在著無數物理系統,彼此相互作用的方式更是數不清楚。在這些系統中,通過無休止的概率遊戲,某些變量在過去剛好呈現特殊值。
為什麼葡萄剛好長在人們愛喝葡萄酒的地方,為什麼你剛好出生在你的母語國家? 我們往往把因果搞反了。
不是因為地球需要距離太陽剛剛好的位置才能適合人類和外物生長,而是地球這一事件在一定概率下和太陽發生了事件才又催生了生命。人類本身就是時間發生的概率,也許我們的存在本來就是宇宙的特殊。
你不可能很客觀的描述宇宙,因為沒有什麼在宇宙之外。
先於觀察就理解某種事物的能力是科學思想的核心。
而我們只能近似的在已知世界中找到自圓其說的說法。
書中人類已經證明的定律和定論有好多推論十分精彩,有興趣的朋友可以買下來再親自慢慢品味,你會越回味越不可自拔……