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想要时间倒着流,需要几步?

2019-10-30 14:02| 发布者: | 查看: 10| 评论: 0

摘要:   作者:Kate Becker,翻译:阎清晖  人有两套思维模式逻辑思维和弹性思维,相比理智的逻辑思维,无论是个人还是组织,弹性思维的作用就是帮助你打破或重新制定规则,用一种形象的比喻就是:逻辑思维可以帮你辨 ...

  作者:Kate Becker,翻译:阎清晖

  人有两套思维模式——逻辑思维和弹性思维,相比理智的逻辑思维,无论是个人还是组织,弹性思维的作用就是帮助你打破或重新制定规则,用一种形象的比喻就是:逻辑思维可以帮你辨别最佳上班路线,而弹性思维带来的结果是汽车的发明。

  在这本书中,作者将围绕弹性思维背后的心理学和神经学原理,帮助人们了解“神秘灵感”背后的科学起因,更好地实现创新。

只要你认真阅读下面的这篇文章,思考文末提出的问题,严格按照互动:你的答案格式在评论区留言,就有机会获得奖品!

  如果时光能倒流,一切都会反着来:

  早上六点,随着闹钟的铃声,你进入梦乡。到晚上就寝的时间,自然地醒过来。晚饭时,你把昨天煮好的面条放进锅里,得到了一锅冷水和一袋生面条。早饭时,桌上的咖啡吸收着空气中的热量,不断加热。如此这般,一个个“昨天”接踵而至,你比前一天更加年轻。

  当然,这一切只是想象。事实上,时间之箭一往无前,未曾折返。我们曾设想,时间的单向流动性是宇宙的基本性质,但奇怪的是,它似乎并未体现在最基础的物理定律中。相反,在微观世界里,时间的反演相当自然:如果一个粒子正着跑符合了物理规律,那么它反着跑——就好像时间箭头反向了——也符合物理规律。

  这便是物理中的一大谜题:从看似与时间箭头无关的物理定律之中,发掘出时间流逝的不可逆性。

  四年前,在FQXi(“基础问题研究所”网站)14 万美金的资助下,加拿大圆周理论物理研究所(下称圆周所)的弗拉维奥·梅尔卡蒂(Flavio Mercati)和纽布伦斯威克大学的蒂姆·科斯洛斯基(Tim Koslowski),以及英国牛津大学的合作者朱利安·巴伯(Julian Barbour)正致力于一种新的假设:时间的箭头是由引力决定的。


蒂姆·科斯洛斯基与朱利安·巴伯在布拉格召开的百年爱因斯坦会议上(Credit: Jakub Haláček)

  熵增=时间箭头?

  传统的观点认为,时间箭头并不源自引力,而是熵增。熵,是衡量系统无规律程度的量。热力学第二定律(下称“熵增定律”)告诉我们:孤立系统的熵不可能减少。你可以打个蛋,摊个饼,但不能把蛋饼变回一个蛋:这便是熵的本质。更精确地讲,熵是在保持宏观状态不变的情况下,所有微观粒子可能的状态数目。

  如果把这些粒子比作书架上的书,那些整理好的书架就有较低的熵值,挪动任意一本书,就会立刻被图书管理员发觉;相比之下,把儿童书架(通常很乱,熵值很高)上的画册画报换个摆法,就没有人能发觉——熵值高意味着状态数多,换个摆法,谁又会知道呢?

  值得注意的是,熵增原理并不是说,系统内部处处都在熵增。事实上,某些局部可能会自发地变得有序——大到行星、恒星乃至星系间的合并,小到人体内新长出的一堆细胞——但当你放眼去看整个系统的时候,它依旧变得更加无序了。熵增定律依旧成立。

  低熵的巧合?

  如果熵增定律成立,那么把熵增的倾向作为时间箭头,似乎是完美的。但这其实会生出一个问题:我们的宇宙必须从一个熵值非常低的状态开始演化。问题是:为什么是这样?“如果我们所在的宇宙的熵一开始就很低,那么熵增就是理所当然的,”科斯洛斯基说道,“但一开始的低熵条件,又是怎么来的呢?”

  一个可能的回答是:凑巧而已。低熵的初始条件实属侥幸。

  这个观点可追溯至约 150 年前。物理学家路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)指出,对于一个自己不断演化的系统,只要你观测足够长的时间,总会等到有些时段,其熵值在剧烈地上下波动:波动的谷底,就是那些熵值很低的时候。同时期的数学物理学家罗格·彭罗斯(Roger Penrose,引力理论和准晶体学大拿)将玻尔兹曼的想法应用在了宇宙学中,以此反驳经典的大爆炸假说。他认为:大爆炸只是宇宙漫长演化过程中,碰巧遇到的,熵值较低的时刻

  当然,许多理论工作者并不接受“我们的宇宙只是凑巧如此”的观点。科斯洛斯基指出,熵增定律和其它统计学定律是针对特定“封闭”系统的结论。所谓“封闭”,指的是该系统与所在的宇宙没有物质交换。但是,对于整个宇宙来说,这些定律是否成立,尚未可知。

  如此一想,的确,我们所观测到的宇宙的演化,似乎并不符合通常意义下有关熵的叙述。从直觉上讲,大爆炸后充斥着整个宇宙的“宇宙热汤”(hot cosmological soup,指的是宇宙初期混沌现象),其熵值总应该高于今日宇宙中那些一丝丝的、精巧的星系结构。但事实却是反过来的。科斯洛斯基评论道:“我们其实并不知道制约宇宙演化的参数究竟是什么。我们只是把熵增定律强行推广到了未知的领域罢了。


大爆炸理论

  形状动力学登场

  梅尔卡蒂与科斯洛斯基采用了“形状动力学(shape dynamics)”解决引力问题。

  相比于牛顿力学,形状动力学只用“相对关系”来描述宇宙。牛顿力学需要预先给定一个度规(用于描述时空弯曲程度的张量),以保证我们能测到绝对位置、绝对大小和绝对时间。而形状动力学只从宇宙中物体的相互关系中给出定义。他们声称,相比于只存在于空想中的“完美的时间长短”和“完美的距离大小”,形状动力学提供了一种更加自然与省力的方式来描述宇宙

  这种基于相对关系的动力学可以追溯到一个世纪以前,也只是在近些年才被巴伯相中。2008 年,他在圆周所做了一个报告,引起了科斯洛斯基的兴趣。彼时,科斯洛斯基才刚做了一周的博士后。科斯洛斯基回忆道:“形状动力学拨动了我的心弦。我发觉自己之前想的许多问题、做的许多观察,都可以用这个理论很好地解释。”

  此后,梅尔卡蒂与科斯洛斯基试图用形状动力学解释多体问题,并由此发现引力与时间箭头之间存在着明显的联系。

  多体问题是牛顿力学中的一个经典问题:给定n个物体,在各自引力的作用下,它们将如何相对运动?最简单的多体问题是二体问题。顾名思义,只包含两个物体(n=2),比如地球和月亮。二体问题简单到只要纸笔就能完全求解。不过,一旦多加入几个物体,混在其中,就只能用电脑来数值模拟求解了。

  虽说如此,在一些特殊情况下,多体问题还是有解析解的。梅尔卡蒂科斯洛斯就从一个常见的解析解出发,将它用形状动力学的语言表述出来——把那些基于外部尺度测得的量,转换为物体间各自的关系量。他们发现,就算系统始于一堆随机分布的粒子(巴伯将其比作“一群蜜蜂”),最后也能演化成结构严整、聚集成群的状态。换句话说,系统的复杂性(系统内结构的种类数)总是在增加。


引力创造了时间么?

  由此看来,引力导致复杂性的增加,而复杂性的增加拉开了一去不返的时间箭头。那些粒子随机分布的状态就是“过去”,结构复杂的状态就是“将来”。换言之,只有观测到了复杂性的增加,才能定义所谓的时间

  就像在 FQXi 播客的采访中,巴伯齐亚·梅拉利(Zeeya Merali,科学作家)说的那样,基于复杂性的观点把大爆炸理论中“宇宙始于一个爆裂火球”的观点,改写成了“宇宙始于你所能想到的,最宁静祥和的状态”。因为那时宇宙尚未包含任何复杂结构。当宇宙演化的主导因素是物体组成的形状,而非物体的尺寸的时候,大爆炸的概念就成了“宇宙最无趣之处”。

  科斯洛斯基说,引力把物质聚集成团块之后,一切都不一样了。“当这些结构开始形成,你就有了子系统,并能以此为基点测量距离和时间。然后才有所谓时间的先后。”

  不过,若论“时间箭头由引力团聚导致”这一观点,科斯洛斯基梅尔卡蒂巴伯三人并不是最早提出的。但是他们的工作“基础牢固”,李·斯莫林(Lee Smolin,同为圆周所的理论物理学家)如是评论道,“我从未料到这个工作可以做得这么好。形状动力学的引入又是那么地引人瞩目。”

  同一时期,乔治·埃利斯(George Ellis,开普敦大学物理学家)在以另一种思路考虑时间箭头的缘起。他认为这个新工作“做得很好,很有启发性”;不过,若要用这个模型用来解释宇宙的起源和演化,他表示怀疑。埃利斯说:“该科研组所考虑的系统适用范围太窄,难以推广到整个宇宙。比如说,你还得考虑(除了引力外的)电磁相互作用和量子理论。”

  在诸多基本力中,这个方法赋予了引力特殊的位置,科斯洛斯基解释道:“事实上,如果时间箭头已经出现在了一个宇宙中,比如我们所在的宇宙,那么这只可能是引力导致的。”

  复杂度理论“颠覆了熵增的观点”巴伯梅拉利说。如果说在熵增观点下,时间箭头始于一个凑巧形成的低熵宇宙,并将无可避免地射向混沌的终点,那么,复杂度观点的视角则乐观许多:

  这是一个由诸多基本力齐心构建的、精致的宇宙,而我们将她唤作“家园”。

  一如巴伯在播客中对梅拉利所言:“这是引力造就的奇迹。宇宙就像古希腊哲学所构想的那样,混沌万物之中,生出了秩序与规律。”

  原文链接:https://plus.maths.org/content/gravity-times-archer


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