?? 祖鲁祖拉怪兽:想要時間倒著流 需要幾步? - 祖拉的世界|上古卷轴阿祖拉被口爆

想要時間倒著流 需要幾步?

作者:Kate Becker

翻譯:閻清暉

審校:Nuor

如果時光能倒流,一切都會反著來:

早上六點,隨著鬧鐘的鈴聲,你進入夢鄉。到晚上就寢的時間,自然地醒過來。晚飯時,你把昨天煮好的面條放進鍋里,得到了一鍋冷水和一袋生面條。早飯時,桌上的咖啡吸收著空氣中的熱量,不斷加熱。如此這般,一個個“昨天”接踵而至,你比前一天更加年輕。

當然,這一切只是想象。事實上,時間之箭一往無前,未曾折返。我們曾設想,時間的單向流動性是宇宙的基本性質,但奇怪的是,它似乎并未體現在最基礎的物理定律中。相反,在微觀世界里,時間的反演相當自然:如果一個粒子正著跑符合了物理規律,那么它反著跑——就好像時間箭頭反向了——也符合物理規律。

這便是物理中的一大謎題:從看似與時間箭頭無關的物理定律之中,發掘出時間流逝的不可逆性。

四年前,在FQXi(“基礎問題研究所”網站)14萬美金的資助下,加拿大圓周理論物理研究所(下稱圓周所)的弗拉維奧·梅爾卡蒂(Flavio Mercati)和紐布倫斯威克大學的蒂姆·科斯洛斯基(Tim Koslowski),以及英國牛津大學的合作者朱利安·巴伯(Julian Barbour)正致力于一種新的假設:時間的箭頭是由引力決定的。

圖1:蒂姆·科斯洛斯基與朱利安·巴伯在布拉格召開的百年愛因斯坦會議上(Credit: Jakub Halá?ek)

熵增=時間箭頭?

傳統的觀點認為,時間箭頭并不源自引力,而是熵增。熵,是衡量系統無規律程度的量。熱力學第二定律(下稱“熵增定律”)告訴我們:孤立系統的熵不可能減少。你可以打個蛋,攤個餅,但不能把蛋餅變回一個蛋:這便是熵的本質。更精確地講,熵是在保持宏觀狀態不變的情況下,所有微觀粒子可能的狀態數目。

如果把這些粒子比作書架上的書,那些整理好的書架就有較低的熵值,挪動任意一本書,就會立刻被圖書管理員發覺;相比之下,把兒童書架(通常很亂,熵值很高)上的畫冊畫報換個擺法,就沒有人能發覺——熵值高意味著狀態數多,換個擺法,誰又會知道呢?

值得注意的是,熵增原理并不是說,系統內部處處都在熵增。事實上,某些局部可能會自發地變得有序——大到行星、恒星乃至星系間的合并,小到人體內新長出的一堆細胞——但當你放眼去看整個系統的時候,它依舊變得更加無序了。熵增定律依舊成立。

低熵的巧合?

如果熵增定律成立,那么把熵增的傾向作為時間箭頭,似乎是完美的。但這其實會生出一個問題:我們的宇宙必須從一個熵值非常低的狀態開始演化。問題是:為什么是這樣?“如果我們所在的宇宙的熵一開始就很低,那么熵增就是理所當然的,”科斯洛斯基說道,“但一開始的低熵條件,又是怎么來的呢?”

一個可能的回答是:湊巧而已。低熵的初始條件實屬僥幸。

這個觀點可追溯至約150年前。物理學家路德維?!げ6嚷↙udwig Boltzmann)指出,對于一個自己不斷演化的系統,只要你觀測足夠長的時間,總會等到有些時段,其熵值在劇烈地上下波動:波動的谷底,就是那些熵值很低的時候。同時期的數學物理學家羅格·彭羅斯(Roger Penrose,引力理論和準晶體學大拿)將玻爾茲曼的想法應用在了宇宙學中,以此反駁經典的大爆炸假說。他認為:大爆炸只是宇宙漫長演化過程中,碰巧遇到的,熵值較低的時刻。

當然,許多理論工作者并不接受“我們的宇宙只是湊巧如此”的觀點??撲孤逅夠賦?,熵增定律和其它統計學定律是針對特定“封閉”系統的結論。所謂“封閉”,指的是該系統與所在的宇宙沒有物質交換。但是,對于整個宇宙來說,這些定律是否成立,尚未可知。

如此一想,的確,我們所觀測到的宇宙的演化,似乎并不符合通常意義下有關熵的敘述。從直覺上講,大爆炸后充斥著整個宇宙的“宇宙熱湯”(hot cosmological soup,指的是宇宙初期混沌現象),其熵值總應該高于今日宇宙中那些一絲絲的、精巧的星系結構。但事實卻是反過來的??撲孤逅夠纜鄣潰骸拔頤瞧涫擋⒉恢樂圃加鈧嫜莼牟問烤故鞘裁?。我們只是把熵增定律強行推廣到了未知的領域罷了?!?/p>

大爆炸理論

形狀動力學登場

梅爾卡蒂與科斯洛斯基采用了“形狀動力學(shape dynamics)”解決引力問題。

相比于牛頓力學,形狀動力學只用“相對關系”來描述宇宙。牛頓力學需要預先給定一個度規(用于描述時空彎曲程度的張量),以保證我們能測到絕對位置、絕對大小和絕對時間。而形狀動力學只從宇宙中物體的相互關系中給出定義。他們聲稱,相比于只存在于空想中的“完美的時間長短”和“完美的距離大小”,形狀動力學提供了一種更加自然與省力的方式來描述宇宙。

這種基于相對關系的動力學可以追溯到一個世紀以前,也只是在近些年才被巴伯相中。2008年,他在圓周所做了一個報告,引起了科斯洛斯基的興趣。彼時,科斯洛斯基才剛做了一周的博士后??撲孤逅夠匾淶潰骸靶巫炊ρРΧ宋業男南?。我發覺自己之前想的許多問題、做的許多觀察,都可以用這個理論很好地解釋?!?/p>

此后,梅爾卡蒂與科斯洛斯基試圖用形狀動力學解釋多體問題,并由此發現引力與時間箭頭之間存在著明顯的聯系。

多體問題是牛頓力學中的一個經典問題:給定n個物體,在各自引力的作用下,它們將如何相對運動?最簡單的多體問題是二體問題。顧名思義,只包含兩個物體(n=2),比如地球和月亮。二體問題簡單到只要紙筆就能完全求解。不過,一旦多加入幾個物體,混在其中,就只能用電腦來數值模擬求解了。

雖說如此,在一些特殊情況下,多體問題還是有解析解的。梅爾卡蒂與科斯洛斯就從一個常見的解析解出發,將它用形狀動力學的語言表述出來——把那些基于外部尺度測得的量,轉換為物體間各自的關系量。他們發現,就算系統始于一堆隨機分布的粒子(巴伯將其比作“一群蜜蜂”),最后也能演化成結構嚴整、聚集成群的狀態?;瘓浠八?,系統的復雜性(系統內結構的種類數)總是在增加。

引力創造了時間么?

由此看來,引力導致復雜性的增加,而復雜性的增加拉開了一去不返的時間箭頭。那些粒子隨機分布的狀態就是“過去”,結構復雜的狀態就是“將來”?;謊災?,只有觀測到了復雜性的增加,才能定義所謂的時間。

就像在FQXi播客的采訪中,巴伯對齊亞·梅拉利(Zeeya Merali,科學作家)說的那樣,基于復雜性的觀點把大爆炸理論中“宇宙始于一個爆裂火球”的觀點,改寫成了“宇宙始于你所能想到的,最寧靜祥和的狀態”。因為那時宇宙尚未包含任何復雜結構。當宇宙演化的主導因素是物體組成的形狀,而非物體的尺寸的時候,大爆炸的概念就成了“宇宙最無趣之處”。

科斯洛斯基說,引力把物質聚集成團塊之后,一切都不一樣了?!暗閉廡┙峁箍夾緯?,你就有了子系統,并能以此為基點測量距離和時間。然后才有所謂時間的先后?!?/p>

不過,若論“時間箭頭由引力團聚導致”這一觀點,科斯洛斯基、梅爾卡蒂和巴伯三人并不是最早提出的。但是他們的工作“基礎牢固”,李·斯莫林(Lee Smolin,同為圓周所的理論物理學家)如是評論道,“我從未料到這個工作可以做得這么好。形狀動力學的引入又是那么地引人矚目?!?/p>

同一時期,喬治·埃利斯(George Ellis,開普敦大學物理學家)在以另一種思路考慮時間箭頭的緣起。他認為這個新工作“做得很好,很有啟發性”;不過,若要用這個模型用來解釋宇宙的起源和演化,他表示懷疑。埃利斯說:“該科研組所考慮的系統適用范圍太窄,難以推廣到整個宇宙。比如說,你還得考慮(除了引力外的)電磁相互作用和量子理論?!?/p>

在諸多基本力中,這個方法賦予了引力特殊的位置,科斯洛斯基解釋道:“事實上,如果時間箭頭已經出現在了一個宇宙中,比如我們所在的宇宙,那么這只可能是引力導致的?!?/p>

復雜度理論“顛覆了熵增的觀點”,巴伯對梅拉利說。如果說在熵增觀點下,時間箭頭始于一個湊巧形成的低熵宇宙,并將無可避免地射向混沌的終點,那么,復雜度觀點的視角則樂觀許多:

這是一個由諸多基本力齊心構建的、精致的宇宙,而我們將她喚作“家園”。

一如巴伯在播客中對梅拉利所言:“這是引力造就的奇跡。宇宙就像古希臘哲學所構想的那樣,混沌萬物之中,生出了秩序與規律?!?/p>

原文鏈接:https://plus.maths.org/content/gravity-times-archer

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