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时间遭遇空前危机:在量子世界,时间没有意义?
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2018-10-11 | 查看:        作者:
简介:‍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...

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John Baez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Karel Kucha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

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