时间也有生老病死

原文作者:Steed,来源于果壳主题站

子在川上曰,逝者如斯夫,不舍昼夜。

时间就是那条奔流不息的大河,从“过去”流经“现在”,不作片刻停留,便又朝着“未来”滚滚而去。这大概是早在文明启蒙之初,人们就已经明白的常识。仿佛冥冥之中有这样一口时间之钟,我行我素地滴答作响,不受外界任何打扰,既没有开端,也不会终结。

而世间的万物,从诞生到兴盛,从衰败到消亡,再到下一次可能的重生,都在时间之钟的滴答声中,遵循着统一的步调翩翩起舞。从这个意义上说,时间也是这个世界上最慷慨、最公平的东西。不论荣华富贵还是一贫如洗,也不论身强力壮还是老弱病残,从日出到日落,再到下一次日出,每一个人分配到的时间,都是一样多的。

问题是,果真如此吗?针对这一点,伟大的科学家爱因斯坦据(《科学美国人》专栏作家史蒂夫·米尔斯基)说曾“亲身”做过一项有趣的实验。

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为了感受时间的“相对性”,爱因斯坦用自己的身体做了一项有趣的实验。
图片来源:bbc.co.uk

亲测“相对论”

1938年,爱因斯坦通过好朋友、喜剧大师卓别琳,约到了卓别琳当时的妻子、好莱坞女星波莱特·戈达德。在后来发表于《热科学与技术学报》(JEST)上的实验报告中,爱因斯坦写道:“我坐火车到纽约与戈达德小姐在中央火车站的‘大蚝酒吧’见面。她十分明艳动人。我觉得似乎过了1分钟时看了看手表,发现实际上已经过了57分钟,我将它四舍五入成1小时。”

回到家后,爱因斯坦找来一台松饼机,插上电让机器加热,然后一屁股坐了上去。“我觉得似乎过了1小时的时候,站起来看了看手表,发现实际上才过了不到1秒钟。为了让两种情况下所用的单位保持一致,我将它算成1分钟。”当然,接下来,他第一时间给医生打了电话。

这个活生生的例子说明,就算分配给每个人的时间都一样多,处在完全不同的情境之下,人们对时间流逝的主观感受也可能截然不同。“一个男人与美女对坐1小时,会觉得似乎只过了1分钟;但如果让他坐在热火炉上1分钟,会觉得似乎过了不止1小时,”用爱因斯坦的话来说,“这就是相对论。”

相对论是上世纪头20年里爱因斯坦开创的伟大理论,分为狭义相对论和广义相对论。近百年来,这两个理论经受住了最严格的实验检验。当然,爱因斯坦做过的这个实验并不包括在内。主观感受不能很好地描述客观现实,要精确测量实际的时间流逝,必须借助精密仪器才行。

在爱因斯坦的那个实验中,精密仪器就是他的手表。如果按照手表上指针的走动来计时,不论是与美女对坐,还是一屁股坐在火锅上,时间流逝的速度都应该是一致的。爱因斯坦举这个例子,只是为了形象地解释时间也有相对性。然而,考虑到真正的相对论,即便是能够忠实记录时间流逝的理想仪器(不妨称之为“时钟”),也会出现不合拍的节奏。

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爱因斯坦的相对论,打破了时间整齐划一的假象。统一的时间已经不复存在,只剩下各自为政的时间碎片了。
图片来源:typeaparent.com

破碎的时间

举例来说,按照狭义相对论,只要你和我之间存在相对运动,时间在你和我身上流逝的速度就会有所不同。在你看来,我的时钟上指针转动的速度变慢了;同样,我也会看到你的时钟走慢了。当然,由于运动而产生的时间流逝变慢现象,只有在速度接近光速时才会表现明显。

早在1941年,物理学家布鲁诺·罗西和D·B·霍尔就在一种被称为μ子的微观粒子身上,观察到了这种现象。μ子极其短命,在静止状态下,平均每2.197微秒,就会有半数μ子衰变成其他东西——这个时间被称为“半衰期”。然而,来自宇宙的高能粒子闯入地球大气时形成的μ子,速度超过光速的99%。两位物理学家发现,这些μ子的半衰期大约是静止μ子的10倍。换句话说,这些接近光速运动的μ子,“寿命”被大大延长了。

如果把广义相对论也考虑进来,情况只会变得更加复杂。广义相对论预言,物质本身就会影响时间的流逝——因为质量会产生引力,而引力会使时钟变慢。举例来说,同样是在地球上,海拔越高,地球引力就会越弱。因此,海平面上的时钟走得就会比世界最高峰——珠穆朗玛峰顶上的时钟稍慢一些,每秒钟要慢大约万亿分之一秒。

尽管效应微弱,但在越来越精密的时间测量仪器的帮助下,不论是由相对运动还是由引力导致的时间变慢现象,都一次又一次得到了越来越精准的验证。2010年,美国国家标准技术研究院的周钦文及其同事,甚至观察到了每秒10米的相对速度和区区1米的高度落差带来的时钟变慢效应。事实上,如今几乎人人都会用到的GPS全球定位系统,必须针对相对论预言的时间变慢效应加以修正,否则根本就达不到如此精准的定位精度。

至此,时间已经不再是整齐划一统驭万物生老病死的唯一节律,而是被相对运动和物质引力搅成了一盘散沙,在不同角落里各自为政,甚至连步调都未必一致。那口游离于世间万物之外、自顾自滴答作响的时间之钟,已然不复存在了。然而,相对论,特别是广义相对论,给时间带来的打击,还远不止如此。

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根据广义相对论及多项宇宙学观测数据,我们的宇宙始于发生在138亿年前的一场大爆炸,时间也是从那一时刻开始出现的。
图片来源:world.edu

时间也有起点

广义相对论描述的,是物质本身如何与时空结构发生相互作用——换句话说,它描述的是万有引力。万有引力是大尺度上统治整个宇宙的力量——至少在1915年爱因斯坦提出广义相对论时,这是科学界的共识。很快,爱因斯坦就把自己的理论应用到了整个宇宙,用来推演宇宙整体上的变化。

结果,广义相对论推断,宇宙要么膨胀,要么收缩,无法维持在一个状态上恒定不变。这个结论其实很符合逻辑,既然世间万物都在相互吸引,它们必定会越靠越近,除非它们原本是在向外扩散。但爱因斯坦本人一时间无法接受这一点,他当时的观点根深蒂固:宇宙一直就是这个样子,无始无终地永恒存在着。他在自己的宇宙学方程中,人为添加了一个常数,在大尺度上产生出了某种斥力。于是,爱因斯坦如愿以偿,“构建”起了一个似乎可以稳定存在的宇宙。

大约10年之后,天文学家埃德温·哈勃发现,宇宙中绝大多数星系都在离我们而去,而且距离越远速度就越快。这些观测事实证明,宇宙确实正在膨胀。此时,爱因斯坦才追悔莫及,把自己手贱添加到方程里的那个常数称为一生中犯过的“最大的错误”,让他错失了从理论上预言宇宙膨胀的绝佳良机。

或许,最根本的原因,不在于爱因斯坦对自己的理论信心不足,而是他不愿意面对宇宙膨胀的深远影响。因为,膨胀意味着宇宙有一个开端,也意味着时间有一个起点。

如果逆着时间流逝的方向倒推回去,宇宙中的物质会越靠越近,密度越来越大,温度也越来越高。最终,按照广义相对论的预言,一切物质都将被浓缩到一点,密度无限大,温度也无限高。当然,无限大在物理学中似乎并无意义,或许只是表明环境极端到了连广义相对论都无力描述的地步。

无论如何,到这个点为止,时间便无法再进一步向前追溯了。这便是世间万物的共同源点,包括时间和空间在内。根据天文学家最新的观测数据,从这个点爆开,也就是大爆炸至今,时间已经走过了138.2亿年。那么,在大爆炸之前,时间又流逝过多久呢?

时间流逝了多久,需要用时钟来衡量——因为正如前面提到的那样,游离于世间万物之外的时间已经不存在了。这里的时钟,可以是钟摆左右往复的摆动,可以是地球日复一日的自转,可以是光子在两面镜子之间不停的反射,也可以是原子核中电子在不同能级间跃迁而产生的光子的频率。总之,一切能够标示出固定时间间隔的东西,都可以拿来充当时钟。

然而,按照物理学家罗杰·彭罗斯在《时间的循环》一书中的说法,直到大爆炸后大约10微秒,质子和中子才会在宇宙中形成——在此之前,宇宙中完全不存在任何结构,没有任何东西可以拿来起到时钟的作用。那么,时间流逝了多久,又有什么意义呢?

如果时间就是时钟测量的那个东西,而时钟又根本不存在,那么时间也就不存在。从这个意义上讲,大爆炸根本就无所谓“之前”,因为连时钟本身都是大爆炸之后才出现的。时间就始于大爆炸。

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如果宇宙继续以现在的趋势加速膨胀下去,总有一天,所有结构,甚至连原子都会被宇宙膨胀给撕碎,时间也将不复存在了。
图片来源:gawkerassets.com

时间的末日

对于世间万物来说,凡事有开端,就必有终结。那么,时间会不会有一天也终结呢?

时间的命运似乎跟宇宙的命运息息相关,而宇宙的命运,根据广义相对论,似乎取决于宇宙中到底有多少物质。如果宇宙中有足够多的物质,它们施加的万有引力说不定最终能够逆转宇宙膨胀的趋势。在这种情况下,总有一天,宇宙会由膨胀转为坍缩,最终重新回到大爆炸起点那种无法描述的状态之中,时钟彻底消失,时间也就失去了意义。

人们曾认为,这种情况很有可能发生,甚至有人提出:最终坍缩成的那个点,或许不知多少岁月之后,又会重启新一轮的大爆炸。宇宙就这样,在不断循环的大爆炸和大坍缩之间轮回。从这个角度上说,大爆炸“之前”仿佛又有了些许意义,因为尽管无法衡量之前到底有多久,但毕竟是先前的大坍缩造就了这一轮的大爆炸。

于是,在上世纪末,两个国际天文学研究团队展开了一场竞赛,通过观测一类特殊的超新星,试图测量宇宙膨胀逐渐变慢的步伐。结果大大出乎了他们的预料——宇宙膨胀的速度非但没有变慢,反而还越来越快了!必定有什么未知的成分在推动着宇宙加速膨胀,天文学家称它为“暗能量”。当年被爱因斯坦人为加进方程的所谓“最大的错误”,也就是那个能够产生排斥力的常数项,如今正是暗能量最有力的候选者之一。真不知道爱因斯坦如果泉下有知,又该作何感想。

如果宇宙以现在这个趋势加速膨胀下去的话,大坍缩就肯定不会发生了,取而代之的将是大沉寂。宇宙永远膨胀下去,变得越来越空旷,越来越昏暗。尽管时间永远不会终结,但它会变得越来越没有意义。宇宙会遭遇“热寂”——这是一种平衡状态,其中发生的任何过程都会很快复原。到时候,过去和未来的分界将不会像现在这样明确,时钟也会越来越模糊不清。

如果暗能量不是常数,而像某些假说那样会随时间以指数形式增长,它就会推动宇宙进入无限膨胀的模式,最后就连原子都会被扯碎,从而终结时间。这种情况被称为“大撕裂”。按照某些模型的预言,这种时间末日距离现在还有大约200亿年。

或许值得庆幸的是,对于生活在地球上的我们而言,尽管日常生活中需要对各自为政的时间碎片作一些小小的修正,但至少,时间应该还不至于在我们的有生之年内终结。

 



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