物理

時間只是幻覺嗎?

「時間」隨著鐘錶的滴答聲流逝,這是我們再熟悉不過的日常經驗, 然而事實上,「時間」可能並非宇宙的基本物件?

撰文/卡倫德(Craig Callender)
翻譯/張明哲

物理

時間只是幻覺嗎?

「時間」隨著鐘錶的滴答聲流逝,這是我們再熟悉不過的日常經驗, 然而事實上,「時間」可能並非宇宙的基本物件?

撰文/卡倫德(Craig Callender)
翻譯/張明哲

重點提要
■在當今的物理學中,時間是個特別熱門的主題。為了尋找統一理論,物理學家必須重新檢視非常基本的假設,而其中最基本的幾乎就是時間了。
■有些物理學家認為時間其實不存在,有些人則認為應該讓時間升級而非降級。在這兩種觀點之間,還有一個有趣的想法:時間存在,但並非基本。我們察覺到的時間,是由一個靜態的世界浮現出來的。
■早在蘇格拉底之前,哲學家就曾經辯論這些想法,但現在物理學家把它弄得更具體。有種說法是,時間可以自宇宙的切割中產生;我們察覺到的時間反映了這些切割區塊之間的關係。

你在讀著這個句子時,很可能會想著「這一刻」(就是現在),也就是正在發生的「當下」。此時此刻似乎很獨特、很真實。不管你對過去有多少記憶、對未來如何憧憬,你都活在當下。當然,你閱讀剛剛那句話的那一刻已經不再,這句才是當下。換句話說,時間似乎在流動,亦即「當下」也在不斷更新。在我們直覺的深處,未來是開放的,直到它成為現在,而過去已被固定住了。時間流動時,這種過去固定、現在發生、未來開放的結構不斷在時間中前進。這種結構深植於我們的語言、思考和行為中,我們的一生該怎麼過正懸於此。


雖然這種想法很自然,卻無法在科學裡找到相應的語言。物理的方程式無法表明哪些事件正在發生,就像一幅沒有標記「你在此處」的地圖。方程式中沒有「現在」,因此也沒有時間流。除此之外,我們可以從愛因斯坦的相對論得知,不只是單一的現在不存在,事實上每一刻都同樣真實(參見2002年11月號〈神秘的時間流〉),未來並不比過去開放。


科學對時間的理解,與我們日常生活對時間的理解有著巨大的鴻溝,這讓歷史上的思想家大感困惑。一旦物理學家逐漸剝奪我們賦予時間的平常屬性,這個鴻溝益形加深。現在,物理時間與經驗時間的裂口已深及根基,因為有許多理論物理學家開始認為,時間甚至根本不存在。


時間並非宇宙真實結構的一部份,這種想法剛開始很令人震驚,難以想像它如何說得通。我們所做的每一件事,都是在時間裡做的,這個世界就是由時間串起的一連串事件,每個人都可以看到我的頭髮變白、物體移動之類的事件。我們看到了變動,而這種改變是相對於時間而言的。少了時間,世界就會全然靜止。一個沒有時間參數的理論,就必須解釋:如果世界實際上並沒有變動,為什麼我們會看到事件的變化。


最近的研究正嘗試面對這項挑戰。雖然時間可能並不存在於最基本的層次,但它可能在較高的結構中產生:這就像桌子雖然是由一堆內部幾乎空空如也的粒子所組成,但摸起來還是很結實。固體是粒子集體浮現的性質,因此時間也可能是由世界某些基本組成浮現出來的性質。


「時間乃浮現的性質」,這種想法有可能和一個世紀前的相對論或量子力學同樣具有革命性。愛因斯坦曾說,他在構思相對論時,最關鍵的進展來自於他對時間的重新理解。而物理學家在追求統一相對論與量子力學的夢想時,他們相信時間一樣是個關鍵。2008年,基礎問題研究院(FQXi)針對「時間的本質」舉辦徵文,有些現代物理學的重量級人士也前來參與。許多人認為統一理論描述的會是個沒有時間的世界,有些人則極不願放棄時間這個概念。不過他們都同意,要在統一理論上有進展,必須先對時間做深入思考。



時間的浮沉


過去這段日子裡,我們對時間的豐富常識不斷受到否定。時間在物理學中舉足輕重,但隨著物理學的進展,這些功能逐一被其他東西取代。


乍看之下或許並不明顯,不過牛頓的運動定律就對時間的特性有些特定要求。原則上,所有的觀察者都會同意事件發生有先後順序。古典物理假設,不管一個事件發生於何時何地,你都可以客觀說明,它跟宇宙中另一件事比較起來,是先發生、後發生、還是同時發生。因此,時間讓世界上所有事件排列得井然有序,而且這個順序是絕對的事實,不會因觀察者的不同而有所改變。還有,時間必須是連續的,這樣我們才能定義速度與加速度。


古典物理中的時間,還必須具備持續的概念(也就是物理學家所說的「度量標準」),這樣才能判定兩個事件相隔多久。當我們說奧運短跑選手波特(Usain Bolt)每小時可以跑43公里,我們必須能測量一小時是多久。跟事件的順序一樣,時間持續的長短也是與觀察者無關的。如果愛麗絲與鮑伯三點鐘離開學校,各走各的,然後六點回到家碰面,那麼愛麗絲所經歷的時間會等於鮑伯所經歷的時間。


基本上,牛頓提議這個世界裡有個主計時器,它將這世界以唯一且客觀的方式切出某一瞬間,牛頓的物理僅依這座鐘的滴答聲行走。此外,牛頓覺得時間在流動,其流向告訴我們哪一個方向是未來,不過,這個額外的性質並非牛頓的運動定律必須具備的。


對現代的我們來說,牛頓對時間的詮釋可能已經過時了,但稍微想一下,會發現它很令人驚訝。它的許多特徵在邏輯上都是不相關的,諸如:順序、連續性、持續性、同時性、流動與方向,然而它們全被兜在牛頓稱為「時間」的這個主計時器裡。這些特徵組合運作得很成功,所以歷經近兩個世紀都沒受到修正。


19世紀末、20世紀初,攻擊來了。第一波是奧地利物理學家波茲曼(Ludwig Boltzmann)的研究,他推論,由於牛頓定律在時間裡往前或往後都同樣可行,所以時間並沒有內建方向。因此,他提議過去與未來的差別不是時間固有的,而是起源於宇宙以不對稱的方式在組織物質。物理學家仍在爭論這種說法的細節,不過波茲曼已經很有說服力地拿掉了牛頓時間裡的一項特徵。


下一波攻擊來自愛因斯坦,他摒棄了絕對同時性的概念。根據他的狹義相對論,事件是否同時發生與你跑多快有關。事件發生的舞台並非時間或空間,而是兩者的合體:時空。兩位觀察者若以不同速度移動,對一個事件在何時、何處發生,會有不同觀點,但對其在時空裡的位置則沒有歧見。時間與空間是次級的概念,如同愛因斯坦的大學老師、數學家閔考夫斯基(Hermann Minkowski)的名言:「這兩者必將淡出成為幻影。」


到了1915年,愛因斯坦的廣義相對論出現,狹義相對論也被推廣到重力的領域,此時事情變得更糟。重力會扭曲時間,所以這裡經過的一秒和那裡經過的一秒可能不相同。能讓時鐘同步並持續保持同步,原則上也十分罕見。你無法將這個世界想像成是根據單一時間參數,滴答滴答地逐一開展出來。在極端的情況下,這個世界可能根本沒辦法被切割成一個個瞬間。如此一來,就不可能說一個事件比另一個事件發生得早或晚了。


廣義相對論裡有許多函數會用到「時間」一詞:座標時間、局部時間(proper time,又稱「原時」)、全域時間。總的來說,它們執行了許多牛頓的單一時間所做的事,但個別來說,沒有一個配得上這個名詞。要不就是物理不聽從這些時鐘,或者是即使聽從,這些時鐘也只適用於宇宙裡的一小塊區域或特定的觀察者。雖然現在的物理學家認為時間應該要從統一理論中剔除,但我們很有理由說,時間自1915年就消失了,只是我們尚未完全領悟到這件事。


量子時間


目前現代物理最遠大的目標之一,就是統合廣義相對論與量子力學,建造一個既能處理重力、又能處理物質量子特性的單一理論:量子重力論。不過會遇到的障礙是,量子力學所要求的時間特性和我上面所講的互相牴觸。


根據量子力學,物體展現的行為其實比位置或速度這些古典量所能描述的特性要豐富得多。對一個物體的完整描述,要用到「量子態」這樣的數學函數。量子態會在時間中連續演變,而物理學家藉著它,可以計算任何實驗結果發生在任一時刻的機率。如果我們將一個電子送進一個裝置,讓它向上或向下偏折,量子力學無法確切告訴我們它會怎麼偏折,只能預測發生機率。例如,電子向上偏折的機率是25%,向下偏折的機率是75%。具有相同量子態的兩個系統可能產生不同的結果。實驗結果是跟機率有關的。


要以理論預測機率,時間得有一些特性。首先,有時間才有可能產生衝突。一顆骰子的5跟3不可能在同一時間朝上,這得在不同時間才會發生。還有,六個面分別朝上的機率總和必須是100%,否則機率的概念便失去意義,而這個機率總和也是在同一時間各事件的發生率相加而來。同樣的道理也適用於分析量子粒子出現在某一位置或具有某一動量的機率。


其次,量子測量的先後順序不同,結果也會不同。例如我讓電子通過一個裝置,先讓它沿垂直方向偏折,然後沿水平方向偏折。等電子出來時,我測量它的角動量。然後重複一次實驗,這次先將電子沿水平偏折,然後沿垂直偏折,再測量它的角動量,結果這兩個值會天差地遠。


再來,量子態提供某一時刻空間各處事件發生的機率。如果這是一對粒子的狀態,那麼不管它們距離多遠,對一個粒子的測量會立刻影響另一個粒子,這也就是量子力學中惡名昭彰、讓愛因斯坦頗為困擾的「鬼魅般的超距作用」。困擾他的原因是,如果粒子要在同一時間反應,那麼宇宙必須有個主計時器,但相對論明白地禁止這種事情(參見2009年4月號〈狹義相對論的危機〉)。


雖然這些議題都有爭議性,量子力學裡的時間基本上又走回牛頓力學的老路。物理學家雖然對時間在相對論裡缺席感到困擾,但更糟的問題恐怕是,在量子力學裡,時間又佔了主要的角色。統合這兩者的深層困難正在於此。


忘了時間吧!


包括超弦理論、因果三角理論、非交換幾何等在內的許多流派,都想調和廣義相對論與量子力學。他們大致分為兩群:認為量子力學提供的基礎較為穩固的人(例如超弦學者),是以純正的時間概念出發;另一些人認為廣義相對論是較好的出發點,所以理論裡時間的地位被降級,也較願意接受真實的宇宙中並沒有時間。


不過,這兩種方法的區別其實有點模糊。超弦理論學家最近也探討了沒有時間的理論(參見22頁〈扭曲的命運〉)。但是為了說明時間所造成的基本問題,我會專注於第二種方法。這種策略的主要例子是環圈重力論(參見2004年2月號〈時空原子〉),它起源於更早之前的「正則量子重力論」(canonical quantum gravity)。


正則量子重力論出現於1950~1960年代,那時物理學家將愛因斯坦的重力方程式重寫成電磁學方程式的形式,這樣做的用意是,讓電磁學的量子理論所用到的技術,也可以用在重力上。1960年代末,物理學家惠勒(John Wheeler)與戴維特(Bryce DeWitt)試著做這件事,卻得到非常奇怪的結果:這個惠勒–戴維特方程式完全沒有時間變數,代表時間的符號t就這樣消失了。


往後數十年,物理學家處於不知所措的狀態。時間怎能就這樣消失了?現在回顧起來,這個結果並不全然令人驚訝。如我先前所提,早在物理學家試著統合重力理論與量子力學之前,廣義相對論裡的時間就已幾乎消失了。


時間藏起來了!


即使這世界基本上是沒有時間的,它看起來依舊像是有時間。任何擁護無時間量子重力的人,都必須面對一個急迫的問題:為何這世界看起來像是有時間的?廣義相對論也缺乏牛頓式的時間,但至少在重力弱、相對速度低時,它的部份替代品結合起來就像牛頓式的時間。在惠勒–戴維特方程式裡,連那些替代品都沒有。巴柏和羅維理都提出了時間(或至少是時間的幻象)是如何無中生有的。不過正則量子重力已經提供了更成熟的想法。


法國哲學家梅洛龐蒂(Maurice Merleau-Ponty)曾說,時間本身其實沒有在流動。它看起來在流動,是因為我們「偷偷在河裡放了一個目擊者」。也就是說,我們傾向於認為時間在流動,是因為忘了將我們自己以及我們與世界的連結放進圖像。梅洛龐蒂說的是我們對時間的主觀經驗,但到目前為止,還沒人猜想客觀的時間本身可能可以用那些連結來解釋。可能只有把世界拆解成許多子系統,然後查看其間的連結時,時間才會存在。在這個圖像裡,物理時間的浮現,是因為我們認為自己和所有其他的事物有所區隔。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2010年第101期7月號】



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