大香蕉时间遭遇空前危机:在量子世界,时间没有意义?

2018-10-11 10:57:04

来源: 中华网

责任编辑:徐逸豪

时间这一概念已经印刻在所有人大脑中,似乎就是与生俱来的存在,它记录着世界的一切。但在普朗克尺度上,时间这个概念却遭遇了危机。物理学家希望找到一种适用于量子引力领域的时钟,却始终未能如愿。这是否意味着,在最小尺度上,时间没有意义?

诗人们常将时间比作河流,一条载着我们由出生至老去的自由流动的小溪。物理学家们则认为时间有着更具体的含义。他们用时间衡量变化,无穷多个瞬间像玻璃珠那样串在一起,未知的将来、现在和已知的过去首尾相接。

物理学中的时间悖论

时间是一种工具。目前时间可以被“切”到十万亿分之一秒那样短。但被“切”的究竟是什么呢?不像质量和距离,我们无法具体感知到时间。我们看不见,听不到,闻不着,摸不到也尝不出时间;但我们竟能以某种方式测量它。爱因斯坦提出广义相对论后,许多物理学家都尝试不断拓展和精炼该理论。但该过程中遇到的最大挑战,就是时间。

“危机出现了,”加州大学河滨分校的数学家JohnBaez说,“一旦危机得以解决,物理学将走向一个新的方向。”这里说的不是日常生活中的物理。在我们生活着的低能量地球环境中,秒表、摆钟,还有氢原子钟都将继续精准地记录自然流逝的轨迹。但当物理学家们想要将宏观宇宙和亚原子微观世界合并在一起时,危机出现了。

在牛顿经典定律里,时间是特殊的。独立于研究对象之外的“宇宙时钟”记录着每一个瞬间。而在广义相对论中,这一假设不再成立。爱因斯坦认为时间并非绝对的——即不存在这样一块“宇宙时钟”,并用他的方程解释了引力在其中所起的作用。他的引力定律指出,无论用何种计时器测量,得到的结果都将一样。

不过,在物理学的其他领域,尤其是在量子力学中,时钟的选择仍然很关键。在1926年薛定谔提出的波动方程中,它扮演了重要角色。该方程展示了如何将亚原子微粒类比为一束波,无论该微粒是独自运动还是绕着原子旋转。一个波簇可以在空间上从一点运动到另一点,同时在时间上从一个瞬间过渡到另一个瞬间。

从量子力学的角度来看,能量和物质都可以被分割为离散的部分——即量子,它的运动是跳跃而模糊的,处在剧烈的波动中。不像火箭的轨道,这些粒子的行为无法准确计算。利用薛定谔波动方程,仅仅能得到某一粒子,或者说某一波簇到达一个确切位置和速度的可能性。这与经典物理学描述的世界截然不同,以至于爱因斯坦都抱怨这种不确定性。他断不能相信上帝会和世界玩骰子。

你也许会说量子力学为物理学引入了一种混沌:当精确得知某物的位置时,相应地,测得的速度将不准确;反过来,在速度精确可知的情况下位置又是模糊的。海森堡很好地总结了这种独特的现象,即著名的“不确定性原理”。但所有的这些不确定行为都发生在一个确定的“舞台”上,即空间和时间均确定。事实上始终需要有一块可靠的时钟,来记录发生的一切以便物理学家们描述系统变化的机制。至少这是目前量子力学方程建立的方式。

这也是问题的症结所在。物理学家要怎样将引力定律合并起来呢?即如何在量子力学定义的亚原子规则中,无需特定的时钟前提,也能很好地吻合牛顿时间框架?

制造一个量子时钟

在美国犹他大学的广义相对论者KarelKucha教授看来,测量量子时间的关键是借助数学工具设计一种合适的时钟——这也是他几十年来一直在尝试的事情。他一直试着寻找一种亚原子版本的牛顿钟,或者说是量子计时器,它可以用来描述由量子引力影响的特殊尺度下的物理现象,比如黑洞内部和奇点。

Kucha假设的时钟不像日常生活中的时钟那样,远远地“躲”在角落不受周围事物的影响;而是将作为不可或缺的部分,被置于量子引力发生作用的微小、密集的系统中。这一内置变量有其局限性:该时钟会随系统的变化而变化——所以为了记录时间,就不得不解决这些耦合问题。某种程度上说,这就好比当你每次想要看时间时,都得先拆开腕表并检查其工作状态。

关于这种特别的时钟,最容易想到的就是简单的“物质钟”。Kucha指出,“这当然是我们自古以来一直在用的时钟。现在我们周围所有的时钟都是由物质组成的。”究其根本,传统的时钟就是选择一套粒子或一种液体材料媒介,再记录其变化。不过Kucha借助纸笔,从数学上将物质钟引入量子引力领域,那儿的引力场极强,同时概率性的量子力学效应开始出现。

不过Kucha表示,当你冒险进入该领域时,“物质会变得越来越稠密”。它是这种极端环境下,任何可能用作物质钟的材料的致命弱点;这些材料最终都会被碾碎。这一点可能从一开始就很明显,但Kucha需要准确得知物质钟被破坏的机理,以便更好地理解这一过程并设计新的数学工具来构造他假想的时钟。

更有望用作量子时钟的是空间自身的几何特性:当婴儿宇宙膨胀或黑洞形成时,监测时空的曲率变化。Kucha猜测这一特性即使在量子引力产生的极端环境中也能探测到。膨胀中的宇宙为这一机制提供了最简单的例证。将婴儿期的宇宙想象成一个不断膨胀的气球,一开始其表面弯曲得非常厉害,随着气球越来越大,其表面的曲率变得越来越小。Kucha解释说:“这一变化着的几何特性使得你能够辨明你所处的瞬间。”换句话说,这种几何特性可以被当作一种时钟使用。

不幸的是,迄今为止Kucha研究过的各类时钟针对同一系统分别得出了不同的量子表述和预测。Kucha解释道:“将任何一种时钟置于时空中,都可以拿来计算量子力学并得到的相对应的结果。但一旦你换了一种时钟,比如基于电场的,就会得到完全不同的结果。现在很难评判其中哪个是对的,亦或两者均不正确。”

不止如此,选用的时钟最后还必须不能被碾碎。量子理论认为空间被分割的程度存在一个极限。能够想象的时空量子颗粒最小直径是10-33厘米,也就是普朗克长度。在这个无限小的尺度内,时空曲率变得跳跃且不连续,时间和空间都开始离散化,并随着“不确定性泡沫”时隐时现。正如物理学家PaulDavies在《关于时间》(About Time)这本书中所写的,“你必须想象所有可能的几何结构——所有可能的时空,空间扭曲和时间扭曲交织在一起形成一种复合体,或者说是‘泡沫’”。

只有充分发展的量子引力理论才能展示在如此小的时空尺度下所发生的一切。Kucha推测,目前广义相对论中一些尚未发现的性质在这个尺度下不会发生量子涨落,而有可能是连续的。如果这一猜想成立,该性质便能够用作Kucha一直以来在寻找的时钟。Kucha怀着这样的希望继续探索着一个又一个可能。

忘记时间

Kucha一直尝试借助一种时钟将广义相对论嵌入量子力学框架中。但许多研究广义相对论的物理学家却认为应该反过来考虑——将量子力学融入广义相对论,把时间作为一个维度来考虑。法国理论物理中心的物理学家Carlo Rovelli便是拥护者之一。

“忘掉时间吧,它只是一个简单的实验事实。”Rovelli表示。他致力于找出不需要时间的量子引力理论。为了简化计算,他和同事AbhayAshtekar、LeeSmolin一起建立了一个不需要时钟的理论空间。借助于此,他们使用了一套新的变量改写爱因斯坦的广义相对论,以便更容易地理解和适应量子尺度。

他们的理论使得物理学家们能够以一种新的方式去探索引力在亚原子尺度的表现。但真的有可能完全不以时间为参考吗?“从一开始的狭义相对论到后来的广义相对论,时间的经典概念越来越弱。我们的思考也需要时间,但事实上我们需要时间思考的这件事并不意味着时间就是真实的。”Rovelli补充道。

Rovelli坦言,将时间从最基本的物理定律中剔除可能需要巨大的概念跨越,就像16世纪哥白尼推翻“地心说”并提出“日心说”时科学家们需要做的那样。

但或许在真正的规则中就是没有时间,包括那些适用于亚原子世界的规则。事实上,量子力学中的诸多难题之一——时间问题在一定程度上刺激了变革的发生,对量子力学定律的修正已经开始。作为难题之一,理论学家们一直在修正量子力学中最基本的方程,以剔除任何以时间为直接参照的内容。

这种方法本质上是一种对薛定谔方程的全新解释。刚刚建立时,物理学家可以借此直接计算一颗微粒在某一具体的时间断面上由A点运动到B点的可能性。后来由费曼进一步发展的理论考虑了无数种由A至B可以令人信服的路径,而不论其可能性多么小。时间作为一种变量被剔除掉;唯有可能的路径是关键。将这些可能的路径统合起来,最终就会浮现出一条具体的路径。

这个过程有时候被比作波的干涉。当空中两束波“相遇”时,它们也许会叠加为一束新的、能量更强的波(相长干涉),也许会完全抵消(相消干涉)。类似地,你或许会想到这些可能的路径之间的相互作用——某些增强了,另一些则相互削弱了,最终形成一条路径。更重要的是,时间变量不再参与计算。

加州大学圣巴巴拉分校的JamesHartle长期致力于将该思想应用于他的量子宇宙学中,即运用量子力学定律研究婴儿宇宙及其演化。但不同于针对个体粒子的假说,他考虑的是能够描述演化中的宇宙的所有可能的结构,即可能宇宙的无限阵列。当这些丰富各异的结构被统合起来以后,经过相消和相长,最终将形成一个具体的时空。Hartle希望利用这种方法得出宇宙在量子引力场中的行为线索。同时,他不需要选择一个特别的时钟来进行这项物理研究:时间作为一个基本变量消失了。

当然,Isham指出,“抛开时间这个概念后,下一步要做的就是解释我们身处的这个平凡世界,以及萦绕在我们周围的时间。”包括Rovelli在内的一些人怀疑时间本就不是一个基本量,他们表示,时间可能是更接近于温度、压力这样的物理属性。针对单个粒子或原子考虑时压力没有意义,这一概念只有在对上万亿的原子讨论时才存在。时间概念或许恰恰符合这一统计学特征,也就是说,现实世界就像一幅点彩画作。在最小的尺度,即普朗克尺度,时间没有意义,就像我们无法从近处窥见点彩画作中的乾坤一样。

量子引力理论学家喜欢自比为考古学家。每位调查者都在巨大地下城市的不同位置挖掘并发现不完整的遗迹,而城市的全貌不得而知。理论学家现在急需的就是数据,能够帮他们辨明思考方向的实验证据。因为可能需要重现大爆炸时炼狱般的环境,使得这看起来是个不可能完成的任务。但也说不准;比如下一代的引力波望远镜——旨在探测时空平面上漾起的“涟漪”的设备。它们有可能在探测到大爆炸的“回音”——原初引力波,也就是引力最开始出现那一瞬间产生的遗迹。这将为探索时空本质提供关键线索。

Kucha表示,“数十年前我们还无法说清大爆炸开始的十分钟内发生了什么,但现在,通过搜集林林总总的迹象我们可以做到这一点。也许当我们能够完全理解普朗克尺度上发生的物理现象时,便能对今天遗留的问题作出肯定的答复。”倘若如此,这些证据将带领我们前所未有地接近世界的起源,最后还有可能告诉我们在140亿年以前,时间和空间是如何从一无所有中诞生的。

原标题:时间遭遇空前危机:在量子世界,时间没有意义?

值班主任:颜甲

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