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時間從未流逝?物理學家:過去與未來可能只是錯覺

編輯:黃榮      信息來源: 西e網-新浪網發布時間:2019-5-15

  我們的感覺是,時間在流逝:也就是說,過去是確定的,未來是不確定的,現實就在當下。但很多物理學家和哲學家卻有不同的看法。他們認為,時光流逝很可能是一種錯覺,時間其實根本沒有流動。而意識涉及到的也許是熱力學或量子力學過程,它們為我們提供了每時每刻的生活印象。
 
  從確定的過去到有形的現在,再到不確定的未來,我們感覺好像時間在不可阻擋地流逝。時光流逝可能是人類對世界的感知中最為基礎的方面,因為我們在內心深處感受到時間在逐漸溜走,這種感覺甚至比我們對物質或者空間的感知更真切。
 
  然而,這些觀點卻和一個深刻且令人震撼的悖論沖突:在現有的物理學中,找不到時間流動這個概念。實際上,物理學家堅稱時間根本沒有流動,它僅僅是存在。一些哲學家甚至主張,時光流逝這個概念是無意義的,對時間流動的討論是建立在一種錯覺之上的。在我們所處的物理世界中,時間是最為基本的,對于這樣的問題怎么會出錯呢?還是說,時間有某種關鍵的特性尚未被科學家所認識?
 
  時間并非必不可少
 
  日常生活中,我們把時間分成三個部分:過去、現在和未來。盡管這看起來是顯而易見的,但與現代物理學相違背。愛因斯坦曾在寫給一個朋友的信件中表達了這一點,“過去、現在和未來僅僅是一種錯覺,雖然是極為頑固的那種。”愛因斯坦令人吃驚的結論直接來自于他的狹義相對論,該理論認為,現在這個時刻并不具備任何絕對而普遍的意義。根據這個理論,“同時”是相對的。在一個參考系下同時發生的兩件事,但如果從另一個參考系觀察,它們就可能發生在不同的時刻。
 
  “現在火星上正發生什么?”這樣的問題是沒有確定答案的。問題的關鍵在于,地球和火星離得很遠,大概有20光分的距離。因為信息無法傳播得比光快,在地球上的觀測者是無法知道同一時刻火星上的情況的。他必須在事情發生之后,當光有機會通過兩個星球之間的空間時才能推斷出答案。在推斷過去的事件時,推斷結果會因觀測者的速度不同而有所不同。
 
  在下面的場景中,兩個人——一個坐在休斯敦的地球人和一個正在以80%的光速橫穿太陽系的“火箭客”——嘗試來回答“現在火星上正發生什么?”這個問題。一個火星上的人同意在他的表針指向12點整的時候吃午飯,同時發送出信號。
 
  這樣的不協調使得任何給現在的時刻賦予一個特殊地位的嘗試都是徒勞的。關鍵在于,這個“現在”是對誰而言的?如果你和我處在相對運動中,對于一個事件,我可能會判斷為還處于尚未決定的未來,而對于你來說,這一事件可能已經存在于確定的過去了。
 
  最直截了當的結論就是過去和未來都已確定。基于這個原因,物理學家更喜歡把時間當成是總體上已經布局好了的全景時間,所有過去的和未來的事件都已經一起在那里了,這種想法有時候被稱為“塊時間”。那種認為有一個特殊的時刻“現在”,或者認為有一種過程可以把未來系統地變成現在的想法,是與上述全景時間的觀點不符的。總之,物理學家眼中的時間不會消逝或者流動。
 
  時間沒有流逝?
 
  在提及“時間的流逝”時,我們究竟在表達什么意思?多年以來,一些哲學家仔細對此進行了考察,他們得到了一個與物理學家相同的結論:“時間流逝”的概念是不自洽的。畢竟,這種觀念類比了物體的運動。人們通過測定物體的位置隨著時間的改變,進而談論物體的運動,比如穿過空間的箭。但是,談論時間本身的運動是什么意思?它運動時,是相對于什么而言呢?其他類型的運動是把一種物理過程和另一種關聯起來,而“時間的流動”則是把時間和自己關聯在一起。“時間走得有多快?”這樣的問題本身就暴露了時間流逝觀念的荒唐,而“每秒鐘前進一秒鐘”這樣的回答也等于什么都沒有說。
 
  雖然在日常生活中,“時間在流逝”這樣的表述很方便,但并不是一定要借助這種表達才能把事情說清。考慮下面的場景:愛麗絲希望有一個白色的圣誕節,但是當那天到來時只下了雨,她很失望;第二天下雪了,她很高興。盡管這個描述充滿了時態并提及了時間的流逝,但只要把愛麗絲的心情和日期一一對應地列出來就能表達相同的信息,而在這種表述方式里無需提及時間的流逝或世界的變化。下面乏味的流水賬就足夠了:
 
  12月24日:愛麗絲期待一個白色的圣誕節。
 
  12月25日:下雨了,愛麗絲很失望。
 
  12月26日:下雪了,愛麗絲很高興。
 
  在這個描述中,沒有什么發生或者改變,只有這個世界在不同日子的狀態和那天愛麗絲的心情。
 
  類似的爭論可以追溯到古希臘的哲學家,比如巴門尼德(Parmenides)和芝諾(Zeno)。一個世紀以前英國的哲學家約翰·麥克塔格特(JohnMcTaggart)力圖弄清兩種描述之間的區別。一種描述方式是記述事件的發生,他稱為A系列;另一種描述方式是列出日期和當時世界的狀態,稱為B系列。每一種看起來都是對現實的真實描述,然而兩種觀點看起來又似乎是矛盾的。比如,事件“愛麗絲感到失望”曾處在將來,然后是現在,最后變成過去。但是,過去,現在和未來是三個互不歸屬的類別,那么單一事件怎么能同時被歸入這三類呢。麥克塔格特利用A和B系列之間的這種沖突來論證時間的不真實性。這是一個略顯極端的結論。大部分物理學家的觀點則更加溫和:時間的流動是不真實的,但是時間本身卻是和空間一樣真實存在的。
 
  在時間中前進,而非時間在前進
 
  我們在討論時間流逝時遭遇的困惑,主要源于時間流逝與所謂的時間箭頭之間的關系。否認時間流動并不是說過去和未來在物理上沒有區別。不可否認世界上的事件構成了一種單向序列。比如,一個雞蛋掉在地板上會摔碎,然而相反的過程,即一個破碎的雞蛋自發地組成一個完整的雞蛋絕不會被看到。這是熱力學第二定律的一個例子,其表述為封閉系統地熵——可以理解為混亂的程度——會隨著時間上升。
 
  因為自然界中充滿了不可逆的物理過程,所以熱力學第二定律在這個世界發揮了關鍵性的作用,導致時間軸上過去和未來兩個方向出現了明顯的不對稱。按照慣例,時間之箭指向未來。但這不意味著時間之箭是“飛向”未來的。就像羅盤指向北方并不表示羅盤向北運動。這兩種箭頭指示的都是一種不對稱性,而不是一種運動。用“過去”和“未來”指示時間的方向是可以的,就像“上”和“下”可以用于表示空間的方向,但是談論過去或者未來本身就如談論上和下一樣,是無意義的。
 
  想象一段記錄雞蛋落到地板上碎掉的過程的影片,我們用這個例子可以生動地說明過去、未來的概念與“過去本身”、“未來本身”概念的區別。如果影片用放映機倒放,每個人都能看出其順序是不真實的。現在想象如果把電影膠片剪成一個個鏡頭并隨機打亂,那么把這堆鏡頭重新排列成正確的順序是簡單的工作:把破碎雞蛋的畫面放在頂端,把完整的雞蛋放在最下面。這樣可以排列出一個空間中的序列,保持了由時間箭頭帶來的不對稱性,證明時間上的不對稱性是世界的一種性質,而不是時間本身的性質。要顯示出時間箭頭并不用真的把影片放映一遍。
 
  鑒于物理學和哲學中多數對時間的分析都沒能發現任何時間流動的跡象,那么留給我們的就是一些謎團。世界在連續地流動——這種根深蒂固的印象是源于何處呢?某些研究者,尤其是諾貝爾獎得主、化學家伊利亞·普里高津(IlyaPrigogine)主張,物理學的不可逆過程使得時間流動成了世界的一個客觀性質。但是我和其他一些人則認為這仍然是某種錯覺。
 
  畢竟,我們沒有真正地觀測到時間的流逝。我們真正觀測到的是,世界較晚時候的狀態不同于我們記憶中先前的狀態。我們記得過去而不記得未來,這體現的不是時間在流逝,而是時間的不對稱性。用時鐘測量不同事件之間的持續時間很像是用卷尺測量不同地方間的距離;這不是在測量一個時刻接替另一個時刻的“速率”。因此,看起來時間之流是主觀的,而不是客觀的。
 
  活在當下
 
  這種錯覺迫切需要解釋,解釋可以是心理學層面上的,也可能是神經生物學、語言學的或是文化層面上的。現代科學還沒有開始考慮我們是如何感受到時間流逝的,我們只能猜測答案。它也許和大腦的某些功能有關。如果身體旋轉幾圈并突然停止,你會感到頭暈。主觀上看起來,好像是世界在圍繞著你旋轉,但是眼睛清楚地告訴你:事實并非如此。你周圍的物體看上去在運動,其實是內耳里的液體旋轉所造成的一種幻覺。或許時間流動也與此類似。
 
  時間的不對稱性有兩個方面可以讓我們產生時間在流動的錯覺。
 
  第一個是過去和未來之間的熱力學差異。正如物理學家在過去的幾十年所認識到的那樣,熵的概念與系統的信息含量是緊密相關的。由于這個原因,記憶的形成是單向過程——新的記憶增添信息并增加了大腦的熵值。我們也許把這一單向性理解為時間的流逝。
 
  第二種可能是我們對時間流逝的理解與量子力學有某種關系。與空間頗為不同,時間以一種獨特的方式進入到量子理論中,這在量子力學建立初期就被人們注意到了。時間的獨特角色是量子力學和廣義相對論難以融合的一個原因。根據海森堡不確定性原理,自然原本就是非決定論的,它意味著未來是開放的(同樣也意味著過去是開放的)。這種非決定性在原子尺度表現得最為明顯,描述一個物理系統的可觀測量從一個時刻到下一個時刻通常是未定的。
 
  例如,一個轟擊原子的電子可能的散射方向有很多個,通常無論如何都不可能提前預言結果是什么。量子的非決定論意味著對于一個特定的量子態,有很多(可能無限)可供選擇的未來。量子力學可以給出每一種觀測結果的概率,盡管無法斷言哪一種潛在的未來是注定的現實。
 
  但是,當人類觀測者進行測量時,得到的是唯一的結果;比如,觀測者會發現反彈的電子沿著某個方向運動。在測量時,一個特定的現實從數量巨大的一系列可能性中顯現出來。在觀測者看來,可能性轉化為真實性,開放的未來變成了確定的過去——這正是我們所說的時間之流。
 
  許多潛在的未來是怎樣變成唯一的現實的?物理學家對此并沒有達成一致的意見。許多物理學家認為這和觀測者的意識有關,其基礎在于觀測行為讓自然做出了決定。一些研究者,比如牛津大學的羅杰·彭羅斯(RogerPenrose)主張意識——包括時間流動的感覺——可能與發生在大腦中的量子過程有關。
 
  盡管研究者沒有在大腦中找到類似視覺皮層那樣的“時間器官”,但未來的研究有可能確定那些負責感受時間流逝的腦過程。我們可以想象,用某種藥物抑制時間流逝這種主觀印象。一些人也聲稱可以通過冥想自然地達到這樣的精神狀態。
 
  那么假如科學家可以找到一種解釋,證明時間的流逝只是一種錯覺,那將如何呢?也許我們不會再為未來焦慮或為過去悲傷。憂慮死亡變得像擔心出生一樣無關痛癢。“期待”和“懷舊”可能會從人類的詞匯中消失。最重要的,與人類活動如影隨行的緊迫感可能會壽終正寢。“過去”、“現在”和“未來”的概念,可能都會成了過去。
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