物理

神秘的時間流

從不變的過去到真實的現在乃至不確定的未來,時間好似無情地一直流動流動流動流動流動流動……但在物理的地圖裡,時間卻是一幅盡收眼底的風景畫。沒有任何東西消逝成為過去,也沒有任何東西從未來向你逼近;川流不息的時間流,其實,只是幻象。

撰文/戴維斯 ( Paul Davies )
翻譯/高涌泉

物理

神秘的時間流

從不變的過去到真實的現在乃至不確定的未來,時間好似無情地一直流動流動流動流動流動流動……但在物理的地圖裡,時間卻是一幅盡收眼底的風景畫。沒有任何東西消逝成為過去,也沒有任何東西從未來向你逼近;川流不息的時間流,其實,只是幻象。

撰文/戴維斯 ( Paul Davies )
翻譯/高涌泉


「采采薔薇,及其未萎;日月其邁,韶華如飛。」17世紀英國詩人赫里克(Robert Herrick)的這句詩正講出了舉世皆然的老生常談:時光飛逝。有誰會懷疑這一點嗎?時間的流動可能是人類知覺中最基本的面向,因為在我們內心最深處對於時間流逝的體會,其感受之深,程度遠超過對於空間或質量之類的體驗。時間的流動常被比擬成飛箭或不舍晝夜的流川,它冷酷地把我們從過去帶往未來。這就是為何莎士比亞會寫到「時運的變遷」,而他的同胞馬維爾(Andrew Marvell)則要說「時間的飛輪急促地逼近」了。


儘管這些影像如此鮮明,它們卻和一個深奧且令人震撼的弔詭相互衝突:在已知的物理知識中,找不到時間流動這個概念。物理學家堅持,時間根本就不會流動,時間就只是時間而已;而某些哲學家則主張,時間流動這個概念根本沒有意義,所謂的時間之河或是時間之流,純然是基於錯誤的觀念。我們在物理世界中那麼基本、那麼實在的體驗,怎麼可能是建立在錯誤的認知上呢?或者,時間還有什麼重要的性質,是科學家尚未發現的?


時間不是本質


在日常生活中,我們一向會把時間分成過去、現在、未來三個部分,而某些語言的文法時態就是奠基於這項基本區分。「事實」所牽涉到的,就是現在這一個時刻,而過去已不復存在,未來則更為模糊——其細節都還沒有形成。在這樣的圖像裡,知覺中的「現在」正穩定地向前滑行,把尚未成形的未來事件落實為現在的事實;而這些事實稍縱即逝,一下子就歸屬於「過去」了。


無論這樣的描述看起來有多麼合理,它與近代物理卻有嚴重牴觸。愛因斯坦在給朋友的信中,有這麼一句著名的話:「過去、現在、未來的區分只不過是幻象而已,雖然這的確是很頑強的幻象。」這個令人驚訝的結論,正來自愛因斯坦自己的相對論。在理論中,「現在」並不是絕對的,沒有任何普遍性的意義,而所謂的「同時」其實是相對的。從某個參考坐標系來看,同時發生的兩個事件,對於另一坐標系而言,可能就發生於不同的時刻。


「火星上現在正發生什麼事?」似乎是個非常單純的問題,但它其實並沒有明確的答案。關鍵就在於地球與火星相距甚遠,以光速前進就要花上約20分鐘。因為訊息不會走得比光更快,地球上的觀察者便無從得知火星當下的情況。只有在事件發生過後,觀察者才能從火星傳到地球的光線推論出答案,而這些事件的答案還會隨著觀察者的速度有所改變。


譬如說,在未來的一次火星探險任務中,地球上的任務管制人員也許會問:「不知道α基地的瓊絲指揮官正在做什麼?」地球上的時鐘顯示,火星這時正是中午12點,所以瓊絲應該在吃午餐。但是對於另外一位正以近乎光速通過地球的太空人來說,依據他前進的方向,他身上的時鐘會顯示火星上此刻要比中午12點更早或更晚。所以對於這個問題,正通過地球的太空人的答案就會是「正在煮飯」或「正在洗碗」。所以任何想賦予「現在」特殊地位的企圖,註定會徒勞無功,因為我們得先弄清楚指的是誰的「現在」?假設你和我有相對運動,那麼,對我而言未來尚未發生的事件,對你來說可能已經在過去確定的某一時刻出現了。


因此最直截了當的結論,就是過去與未來其實都是已經確定的。也因為這樣,物理學家喜歡將時間整個鋪展開來,把所有過去與未來的事件都放在一幅時間圖裡,就好像風景畫一樣。這樣的看法有時稱為「時間塊」(block time)。在描述自然界的時候,我們從來沒有在時間的風景畫中挑出某一特定時段來作為「現在」,而且也沒有任何過程可以將未來的事件有系統地轉變為現在,繼而轉變為過去事件。換言之,物理學家的時間是不會流動的。


時光如何不飛逝?


從古到今,有不少哲學家在仔細斟酌了一般人所認知的時間流動之後,也獲得同樣的結論。他們認為這個概念有內在矛盾:畢竟,流動這觀念所指涉的是運動,所以談論真實物體的運動是合理的。如果我們拿物體實際運動的例子來解釋就會更加明白了,例如飛箭穿越過空間時,我們便可測量飛箭的位置如何隨時間變化;但我們能對時間本身的運動賦予什麼意義呢?它是相對於什麼在動呢?其他類型的運動會將不同的物理過程連接起來,但設想中的時間流只是讓時間與自身發生關聯。我們只要簡單一問:「時間流得有多快?」就可以暴露出這想法的荒謬,因為「每秒流過一秒」這個淺顯的答案一點意義也沒有。


時間的不對稱性


在討論時間流動的時候,我們之所以會這麼困惑,主要原因是因為它與所謂的「時間之箭」有所關聯。否認時間流動並不等於說「過去」與「未來」的指稱沒有物理基礎。無可否認的,世界上發生的事件只有單向的順序。例如,蛋掉到地上會破成碎片,而反向過程——地上一顆破蛋自動組合成完整的蛋——則從來沒有見過。這是熱力學第二定律的例子,意思是說,一個封閉系統的熵(大致上而言,熵就是失序的程度)會隨著時間而增加。比起一顆破蛋來說,一顆完整的蛋的熵值要更低。


自然界充滿了不可逆的物理過程,過去與未來在時間軸上的方向很顯著的並不對稱,而熱力學第二定律在這方面便扮演著關鍵性的角色。依慣例,時間之箭指向未來,不過這並不表示時間之箭就是向未來奔去,就好像羅盤的指針指向北方並不代表羅盤正往北前進。這兩種箭頭指向所象徵的是「不對稱」,而非運動。時間之箭指稱的是世界於時間上的不對稱,而不是時間本身的不對稱或流動。「過去」與「未來」的標誌可以順理成章地用來指明時間的方向,就如同「上」與「下」可以用於指明空間方向;但是談論「這個過去」或「那個未來」與說到「這個上」或「那個下」一樣沒有意義。


過去或未來的狀態與「這個過去」或「那個未來」的區別可以用圖像說明:想像有一段影片,裡面錄製了蛋掉到地上而破碎的過程。如果影片倒過來播放,每個人都會看出其中不自然之處。現在將影片切割成許多片段畫面,然後將這些畫面隨意弄混。任何人都可以將這些混亂的畫面依據正確的順序再排列出來:破碎的蛋在這一疊畫面的最上面,而完整的蛋則在最底下。這一疊垂直的畫面保留了時間之箭所意味的不對稱,因為它在垂直方向是有次序的序列。這證明時間的不對稱事實上是屬於世界狀態的一個性質,而不能看成時間本身的性質。我們不需真的播出影片就可以看出時間之箭的方向。


活在當下


當然,我們還是得解釋為什麼會有時間流動的幻覺,不過這些解釋得從心理學、神經生理學,或是語言學與文化裡去尋找。對於我們如何感受時間流動這個問題,近代科學才剛剛開始思考,所以我們僅能猜測什麼是答案。這或許跟大腦的功能有關。如果你原地旋轉幾圈後突然停止,就會感覺頭昏眼花。主觀上,你會感到世界繞著你旋轉,但是你的眼睛告訴你其實不是這樣的。你周圍的轉動是幻象,那只是因為內耳中的液體在旋轉。也許時間流動的感覺也來自類似的原因。


時間的不對稱有兩個面向可能會造成時間流動的錯覺。第一個是過去與未來在熱力學上的區別。在過去幾十年來,物理學家已經了解到,熵的觀念與系統的訊息內涵其實是息息相關。所以記憶的形成是單一方向的過程:新的記憶增加了訊息而提高了大腦的熵。我們也許可以將此一單向性看成是時間的流動。


第二個可能性是我們對時間流動的知覺與量子力學有關。在量子力學剛形成的那段期間,人們就已經認知到,時間在這個理論中扮演著十分獨特的角色,與空間的角色大不相同。物理學家發現,時間在量子力學中扮演的特殊角色,便是量子力學與廣義相對論難以順利結合的主要障礙之一。在海森堡測不準原理中,自然在本質上是不可確定的,這意味著未來是開放、不確定的(以此觀點而論,過去也是開放的)。這種不確定性在原子大小的尺度上最為明顯,用以標定一個物理系統的可觀測性質,通常從這一瞬間到下一瞬間就不能確定了。


舉例而言,電子撞上原子後可能會彈到很多方向;一般來說,我們不可能事前預測出究竟會是哪一個方向。量子不確定性意味著對於某一特定量子狀態而言,存在著很多(也許是無窮多)不同的未來或是可能的真實狀況。對於每一個可能的觀測結果,量子力學可以算出它們可能出現的相對機率,不過它無法明確說出究竟哪一個可能性會轉化成事實。


但是,一旦觀測者做出一項測量,他就只會得到一個結果,例如他會發現彈出的電子會往某一特定方向飛去。在測量的過程中,單一、明確的事實會從一大堆可能性之中蹦出。在觀測者的認知當中,可能的情況轉化成真實的世界,開放的未來轉變為確定的過去——這正是我們所謂的時間流動。


然而,這種轉化究竟是如何達成的,物理學家仍然沒有形成共識。很多人認為這與觀察者的意識相關,因為正是觀察的行為促使自然(nature)作出抉擇。少數研究人員(例如英國牛津大學的彭若斯)相信,意義(包括對於時間流動的印象)可能與大腦中的量子過程有所關聯。


雖然研究人員至今尚未找到證據,來支持在大腦中存在一個「時間器官」的說法(所謂器官,是指如視覺皮質之類的東西),但或許未來的研究能夠找出這種使我們產生時間流動感的大腦過程。我們可以想像有一種新藥能夠終止人們對於時間在飛逝的感覺。事實上,某些專事打坐冥思的人,就宣稱他們能自然地進入這種心靈狀態。


如果科學能夠對時間流動作出一番清楚的解釋,我們也許就不必再煩惱未來或是悲傷過去。擔憂死亡就會變得跟擔憂誕生一樣,都是無聊的事;期待與懷舊也不再是人類詞彙的一部分,尤其是我們也許就不會再急著不停地忙東忙西。屆時,我們將不再理會美國詩人朗費羅「及時行動」的懇求,因為過去、現在、未來的區隔,已經成為過去。