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时间从未流逝?物理学家:过去与未来可能只是错觉

我们的感觉是,时间在流逝:也就是说,过去是确定的,未来是不确定的,现实就在当下。

来源:环球科学

我们的感觉是,时间在流逝:也就是说,过去是确定的,未来是不确定的,现实就在当下。但很多物理学家和哲学家却有不同的看法。他们认为,时光流逝很可能是一种错觉,时间其实根本没有流动。而意识涉及到的也许是热力学或量子力学过程,它们为我们提供了每时每刻的生活印象。

从确定的过去到有形的现在,再到不确定的未来,我们感觉好像时间在不可阻挡地流逝。时光流逝可能是人类对世界的感知中最为基础的方面,因为我们在内心深处感受到时间在逐渐溜走,这种感觉甚至比我们对物质或者空间的感知更真切。

然而,这些观点却和一个深刻且令人震撼的悖论冲突:在现有的物理学中,找不到时间流动这个概念。实际上,物理学家坚称时间根本没有流动,它仅仅是存在。一些哲学家甚至主张,时光流逝这个概念是无意义的,对时间流动的讨论是建立在一种错觉之上的。在我们所处的物理世界中,时间是最为基本的,对于这样的问题怎么会出错呢?还是说,时间有某种关键的特性尚未被科学家所认识?

时间并非必不可少

日常生活中,我们把时间分成三个部分:过去、现在和未来。尽管这看起来是显而易见的,但与现代物理学相违背。爱因斯坦曾在写给一个朋友的信件中表达了这一点,“过去、现在和未来仅仅是一种错觉,虽然是极为顽固的那种。”爱因斯坦令人吃惊的结论直接来自于他的狭义相对论,该理论认为,现在这个时刻并不具备任何绝对而普遍的意义。根据这个理论,“同时”是相对的。在一个参考系下同时发生的两件事,但如果从另一个参考系观察,它们就可能发生在不同的时刻。

“现在火星上正发生什么?”这样的问题是没有确定答案的。问题的关键在于,地球和火星离得很远,大概有20光分的距离。因为信息无法传播得比光快,在地球上的观测者是无法知道同一时刻火星上的情况的。他必须在事情发生之后,当光有机会通过两个星球之间的空间时才能推断出答案。在推断过去的事件时,推断结果会因观测者的速度不同而有所不同。

在下面的场景中,两个人——一个坐在休斯敦的地球人和一个正在以80%的光速横穿太阳系的“火箭客”——尝试来回答“现在火星上正发生什么?”这个问题。一个火星上的人同意在他的表针指向12点整的时候吃午饭,同时发送出信号。

这样的不协调使得任何给现在的时刻赋予一个特殊地位的尝试都是徒劳的。关键在于,这个“现在”是对谁而言的?如果你和我处在相对运动中,对于一个事件,我可能会判断为还处于尚未决定的未来,而对于你来说,这一事件可能已经存在于确定的过去了。

最直截了当的结论就是过去和未来都已确定。基于这个原因,物理学家更喜欢把时间当成是总体上已经布局好了的全景时间,所有过去的和未来的事件都已经一起在那里了,这种想法有时候被称为“块时间”。那种认为有一个特殊的时刻“现在”,或者认为有一种过程可以把未来系统地变成现在的想法,是与上述全景时间的观点不符的。总之,物理学家眼中的时间不会消逝或者流动。

传统观点:只有现在才是真实的

块时间的观点:所有的时间都是同等真实的

时间没有流逝?

在提及“时间的流逝”时,我们究竟在表达什么意思?多年以来,一些哲学家仔细对此进行了考察,他们得到了一个与物理学家相同的结论:“时间流逝”的概念是不自洽的。毕竟,这种观念类比了物体的运动。人们通过测定物体的位置随着时间的改变,进而谈论物体的运动,比如穿过空间的箭。但是,谈论时间本身的运动是什么意思? 它运动时,是相对于什么而言呢?其他类型的运动是把一种物理过程和另一种关联起来,而“时间的流动”则是把时间和自己关联在一起。“时间走得有多快?”这样的问题本身就暴露了时间流逝观念的荒唐,而“每秒钟前进一秒钟”这样的回答也等于什么都没有说。

虽然在日常生活中,“时间在流逝”这样的表述很方便,但并不是一定要借助这种表达才能把事情说清。考虑下面的场景:爱丽丝希望有一个白色的圣诞节,但是当那天到来时只下了雨,她很失望;第二天下雪了,她很高兴。尽管这个描述充满了时态并提及了时间的流逝,但只要把爱丽丝的心情和日期一一对应地列出来就能表达相同的信息,而在这种表述方式里无需提及时间的流逝或世界的变化。下面乏味的流水账就足够了:

12月24日:爱丽丝期待一个白色的圣诞节。

12月25日:下雨了,爱丽丝很失望。

12月26日:下雪了,爱丽丝很高兴。

在这个描述中,没有什么发生或者改变,只有这个世界在不同日子的状态和那天爱丽丝的心情。

类似的争论可以追溯到古希腊的哲学家,比如巴门尼德(Parmenides)和芝诺(Zeno)。一个世纪以前英国的哲学家约翰·麦克塔格特(John McTaggart)力图弄清两种描述之间的区别。一种描述方式是记述事件的发生,他称为A系列;另一种描述方式是列出日期和当时世界的状态,称为B系列。每一种看起来都是对现实的真实描述,然而两种观点看起来又似乎是矛盾的。比如,事件“爱丽丝感到失望”曾处在将来,然后是现在,最后变成过去。但是,过去,现在和未来是三个互不归属的类别,那么单一事件怎么能同时被归入这三类呢。麦克塔格特利用A和B系列之间的这种冲突来论证时间的不真实性。这是一个略显极端的结论。大部分物理学家的观点则更加温和:时间的流动是不真实的,但是时间本身却是和空间一样真实存在的。

四维时空中的时间

在时间中前进,而非时间在前进

我们在讨论时间流逝时遭遇的困惑,主要源于时间流逝与所谓的时间箭头之间的关系。否认时间流动并不是说过去和未来在物理上没有区别。不可否认世界上的事件构成了一种单向序列。比如,一个鸡蛋掉在地板上会摔碎,然而相反的过程,即一个破碎的鸡蛋自发地组成一个完整的鸡蛋绝不会被看到。这是热力学第二定律的一个例子,其表述为封闭系统地熵——可以理解为混乱的程度——会随着时间上升。

因为自然界中充满了不可逆的物理过程,所以热力学第二定律在这个世界发挥了关键性的作用,导致时间轴上过去和未来两个方向出现了明显的不对称。按照惯例,时间之箭指向未来。但这不意味着时间之箭是“飞向”未来的。就像罗盘指向北方并不表示罗盘向北运动。这两种箭头指示的都是一种不对称性,而不是一种运动。用“过去”和“未来”指示时间的方向是可以的,就像“上”和“下”可以用于表示空间的方向,但是谈论过去或者未来本身就如谈论上和下一样,是无意义的。

想象一段记录鸡蛋落到地板上碎掉的过程的影片,我们用这个例子可以生动地说明过去、未来的概念与“过去本身”、“未来本身”概念的区别。如果影片用放映机倒放,每个人都能看出其顺序是不真实的。现在想象如果把电影胶片剪成一个个镜头并随机打乱,那么把这堆镜头重新排列成正确的顺序是简单的工作:把破碎鸡蛋的画面放在顶端,把完整的鸡蛋放在最下面。这样可以排列出一个空间中的序列,保持了由时间箭头带来的不对称性,证明时间上的不对称性是世界的一种性质,而不是时间本身的性质。要显示出时间箭头并不用真的把影片放映一遍。

鉴于物理学和哲学中多数对时间的分析都没能发现任何时间流动的迹象,那么留给我们的就是一些谜团。世界在连续地流动——这种根深蒂固的印象是源于何处呢?某些研究者,尤其是诺贝尔奖得主、化学家伊利亚·普里高津(Ilya Prigogine)主张,物理学的不可逆过程使得时间流动成了世界的一个客观性质。但是我和其他一些人则认为这仍然是某种错觉。

毕竟,我们没有真正地观测到时间的流逝。我们真正观测到的是,世界较晚时候的状态不同于我们记忆中先前的状态。我们记得过去而不记得未来,这体现的不是时间在流逝,而是时间的不对称性。用时钟测量不同事件之间的持续时间很像是用卷尺测量不同地方间的距离;这不是在测量一个时刻接替另一个时刻的“速率”。因此,看起来时间之流是主观的,而不是客观的。

活在当下

这种错觉迫切需要解释,解释可以是心理学层面上的,也可能是神经生物学、语言学的或是文化层面上的。现代科学还没有开始考虑我们是如何感受到时间流逝的,我们只能猜测答案。它也许和大脑的某些功能有关。如果身体旋转几圈并突然停止,你会感到头晕。主观上看起来,好像是世界在围绕着你旋转,但是眼睛清楚地告诉你:事实并非如此。你周围的物体看上去在运动,其实是内耳里的液体旋转所造成的一种幻觉。或许时间流动也与此类似。

时间的不对称性有两个方面可以让我们产生时间在流动的错觉。

第一个是过去和未来之间的热力学差异。正如物理学家在过去的几十年所认识到的那样,熵的概念与系统的信息含量是紧密相关的。由于这个原因,记忆的形成是单向过程——新的记忆增添信息并增加了大脑的熵值。我们也许把这一单向性理解为时间的流逝。

第二种可能是我们对时间流逝的理解与量子力学有某种关系。与空间颇为不同,时间以一种独特的方式进入到量子理论中,这在量子力学建立初期就被人们注意到了。时间的独特角色是量子力学和广义相对论难以融合的一个原因。根据海森堡不确定性原理,自然原本就是非决定论的,它意味着未来是开放的(同样也意味着过去是开放的)。这种非决定性在原子尺度表现得最为明显,描述一个物理系统的可观测量从一个时刻到下一个时刻通常是未定的。

例如,一个轰击原子的电子可能的散射方向有很多个,通常无论如何都不可能提前预言结果是什么。量子的非决定论意味着对于一个特定的量子态,有很多(可能无限)可供选择的未来。量子力学可以给出每一种观测结果的概率,尽管无法断言哪一种潜在的未来是注定的现实。

但是,当人类观测者进行测量时,得到的是唯一的结果;比如,观测者会发现反弹的电子沿着某个方向运动。在测量时,一个特定的现实从数量巨大的一系列可能性中显现出来。在观测者看来,可能性转化为真实性,开放的未来变成了确定的过去——这正是我们所说的时间之流。

许多潜在的未来是怎样变成唯一的现实的?物理学家对此并没有达成一致的意见。许多物理学家认为这和观测者的意识有关,其基础在于观测行为让自然做出了决定。一些研究者,比如牛津大学的罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)主张意识——包括时间流动的感觉——可能与发生在大脑中的量子过程有关。

尽管研究者没有在大脑中找到类似视觉皮层那样的“时间器官”,但未来的研究有可能确定那些负责感受时间流逝的脑过程。我们可以想象,用某种药物抑制时间流逝这种主观印象。一些人也声称可以通过冥想自然地达到这样的精神状态。

那么假如科学家可以找到一种解释,证明时间的流逝只是一种错觉,那将如何呢?也许我们不会再为未来焦虑或为过去悲伤。忧虑死亡变得像担心出生一样无关痛痒。“期待”和“怀旧”可能会从人类的词汇中消失。最重要的,与人类活动如影随行的紧迫感可能会寿终正寝。“过去”、“现在”和“未来”的概念,可能都会成了过去。

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