一、平常而神秘的时间
时间是成为人的核心部分——海德格尔
作为一名科普工作者,笔者曾经花费了数年的时间去研究探索“时间”这一课题,随着探索的深入,越发觉得“时间”是一个博大精深的课题,而且遇到的谜团越来越多,终于明白了为什么有不少科学家或者说物理学家认为“时间是当今人类科学界面临的最大的谜团之一”。
时间是个太平常的东西,以至于既是我们每一个人最宝贵的财富又是最便宜的日用品,每一个人都与它相伴一生。时间就像心跳一样属于个人,也像广场钟楼的钟摆那样属于大众。但是,正如德国哲学家海德格尔说的那样:“时间是人之所以成为人的核心部分!”多年前我写过一篇文章,题目是《人生无非历史地理》,说的是人生就是时间和空间的组合,我们的一生就是用所拥有的时间努力去拓展、充实自己所能拥有的空间。时间是个太平常的东西,每一个人仿佛都对它无比熟悉,但是时间又是个太神秘的东西,以至于连科学家、哲学家、心理学家都弄不清它的本质,长期争论不休,让我们感到无比沮丧。
时间无处不在,时间一往无前,时间平淡如水流东海,时间宝贵如千金难买,时间会冲淡一切,时间会铭记永恒,时间似有似无,时间如梦如幻……如果你有兴趣去挖掘这个的科学界最大谜团里的谜底,也许会让你迷惑,也许会让你痴狂。笔者认为,从人类的视角来看,时间有三个层面:自然的时间、社会的时间、个人的时间。自然的时间是指时间这个奇妙无穷又疑问多多,同时也纠缠了人类数千年的时间本体,多数由科学家哲学家尤其是物理学家在进行研究探索,社会的时间是指人类社会对时间的认识和运用,时间与人类社会的关系等,个人的时间是指每个人类个体与时间的关系以及个体对时间的认识和运用等,社会的时间和人个的时间一般由社会学家、心理学家、人类学家等展开探索研究。无论时间的哪一个层面都有无数能够投射的视角,有层出不穷的可以深入探索下去的课题。
二、时间到底有还是没有
过去和未来可能只是幻觉。——爱因斯坦
前文说了,时间是当今世界科学界面临的最大的谜团之一,科学界为时间的问题长期争论不休,那科学家对时间围绕哪些问题争论不休呢?首先,第一个问题就令人无比头疼:时间到底有没有?这可是一个本质的问题,有,还是没有?这太让人头疼了,如果有还好说,如果没有,那还研究个什么呢?可是,确实有相当一部分理论物理学家认为时间本身根本不存在!认为时间只是一种幻觉,时间并不存在,只是个抽象的概念,是个数学上的参数,而现实世界只有物质的变化,这种变化让人觉得有一种被称为时间的参数存在的假象。他们认为,时间就像我们创造出来的经纬度一样,或者就像我们的名字一样。甚至最伟大的科学家之一爱因斯坦也说过一句令时间丧气的话:“过去和未来可能只是幻觉。”认为时间可能根本不存在。
当今世界物理学界在追求的一个最高目标是如何统一广义相对论和量子力学(这两者一个是针对宏观世界,一个是针对亚原子态以下的微观世界,两者在解释世界方面在很多地方是相互矛盾的!),创造出一种能够同时处理物质的引力和量子特性的单一理念——量子引力论(也叫大统一理论)。在这个研究进程中,传统的时间概念遇到了巨大挑战,在很多理论体系中,时间被枪毙了或者被降级了。
物理学家在研究的过程中,把通常归结为时间的特征(如时间的是用来区别事件发生先后秩序的标尺)一条条地从时间中抽离了,比如“现在”这个概念并不存在于物理学的方程之中,时间的流动一样如此。2008年科学界曾经以“时间的本质”为题举办了一场论文大赛,吸引了现代物理学的一批牛人参赛,在收到的论文中,有许多人坚信,大统一理论描绘的将是一个不存在时间的世界,直接把时间枪毙了!当然,这些科学家虽然通过理论研究发现时间或许根本不存在,但是一个不存时间的现实世界还是令人震惊的,似乎我们做的每一件事都在时间中完成的,怎么让这个“不存在”理论自圆其说,让这些科学家们头痛不已。还好,在另一些科学家那里,时间还活着,不过,其中的很多科学家都认同这样一个观点:不对时间进行更深刻的思考,在建立大统一理论的道路上想要取得进展多半是不可能的。
笔者也相信时间不该被枪毙,时间还是存在的,我写的这个系列也是基于时间是客观存在的这一前提展开。不过,即使我们不赞成时间虚无论,那么,如果时间是存在的,那时间是个什么玩意呢?
三、亚里斯多德的时间观
如果没有运动,时间就不存在!——亚里斯多德
时间被一些科学家枪毙了,还好更多的科学家相信时间还是存在的,一个没有时间的世界难以想象,于是时间幸免于难。不过,时间虽然逃过一劫,但接下来还是要面临别的麻烦,第一个麻烦是:时间到底是什么?我们都知道,时间看不见摸不着,但又真实存在,时间仿佛掌控着世间的一切,时间仿佛总是一往无前地向未来奔去,时间有许许多多说不完的特性,那么,时间到底是什么呢?古罗马思想家奥古斯丁说过一句至今还被常常被引用的名言,表达了人们对时间的困惑,他说:“什么是时间?没有问我,我还知道,但要我对提问者解释它,我就不知道了。”可见要说清楚时间是什么是个多么不容易的事。
其实,几千年来,自从人类从懵懂走向文明,开始思考这个世界的时候,就有不少智者不断去探索和解析这个问题,试图去回答时间到底是什么这个恼人的疑问。当然,数千年来,拷问时间的哲学家、科学家不计其数,我们不可能一一列举出来,我们就从几千年的人类历史上,找出三个最具代表性的人物来看看他们对时间的认识,看看他们认为时间到底是什么。他们的观点也代表了人类对时间认识的三个阶段。
这可是三位引领人类不断前进的伟大先知;今天我们来说第一位先知:亚里斯多德。他是一位古希腊伟大的哲学家、科学家和教育家,他是柏拉图的学生,亚历山大的老师,是希腊哲学的集大成者,著有《物理学》《形而上学》等众多著作,他的的哲学思想对西世界的哲学和社会思想的发展具有深刻的影响。学术界普遍认为他是已知的第一个提出“时间是什么?”的人。他得出的结论是:时间就是对变化的度量!亚里斯多德认为,事物在不断变化,我们以“时间”为度量,对这种变化进行计量。如果一切都不改变、不运动,时间也不会流逝,甚至时间根本就不存在,因为时间仅仅是运动的记录。时间是一种我们与事物变化相关联的方式。这就是亚里斯多德时间观的主要内容。
亚里斯多德把时间放在运动的框架上,最核心的要义就是把时间定义为“运动的度量”,认为如果没有运动,时间就不存在。亚里斯多德当然是他那个时代的人类精英,在科学思想方面,是站在金字塔的最顶尖的人。那么,他的这个解释时间的观点会不会被打脸呢?
四、牛顿的时间观
无论世界运动或不运动,绝对的时间始终是存在的。——牛顿
亚里斯多德认为时间是运动的度量,如果世界静止不动,时间也就没作用了,或者说时间就不存在了。他的时间观在很长一段时间里也被奉为真理,欧洲的中世纪,宗教当道,科学停滞,思想禁锢,死气沉沉,当然出不了什么旷世豪杰来思考时间是什么的问题,也没谁有能力去质疑亚氏的时间理论。14-16世纪,欧洲文艺复兴运动轰轰烈烈,放开禁锢,搞活经济,开启民智,激活思想,科学才开始露出尖尖小角,不久之后的17、18世纪便迎来了科学大家不断涌现的高光时代,在一众科学家当中最突出的一位要算是牛顿爵士。
即使今天看来,牛顿爵士也可称得上是人类历史上最伟大的科学家之一,他是英国皇家学会会长,英国著名的物理学家、数学家,科学领域的全才,著有《自然哲学的数学原理》、《光学》等名著,其中牛顿运动定律、被一个苹果砸出的万有引力定律等都流芳百世,万民皆知,为近现代科学技术的发展进步奠定了坚实基础,牛顿爵士不止是独领风骚三五年的风流人物,而是流芳数个世纪天纵奇才。
牛顿当然也对什么是时间很感兴趣,并且提出了自己的时间理论。牛顿认可亚里斯多德关于时间是相对于运动变化而存在的观点,但是,他认为那是一种“相对的时间”,还存在一种无论如何都会流动的“真实的时间”,他在自己的《自然哲学的数学原理》一书中写道:“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着,且由于其本性而在均匀地、与任何外界事物无关地流逝着。”牛顿认为,除了亚里斯多德提出的相对时间,还存在一种绝对的时间(同时认为也存在绝对的空间),这个时间独立于事物及其变化,即使事物没有发生运动变化也会流逝!
显然,牛顿的时间观不同于亚里斯多德的时间概念,亚里斯多德认为,如果没有运动,时间就不存在,牛顿则假设时间是一种实体,均匀流动,无论世界运动或不运动,那个绝对的时间始终是存在的。他的观念影响了几个世纪,全世界的人们也通过各种教育途径全面认可这种时间概念,成为人们理解时间的常规方式。牛顿以此为模型,建立了现代物理学理论,并且行之有效,在大多数情况下还能够自洽。但时间果真是这样一种玩意吗?从现代科学的角度我们发现,牛顿著名的三大定律无法决定时间的方向,他那个时代的物理定律也没有时间性。这也就意味着,牛顿对时间是什么的解释也未必是终结的真理,那时间到底是什么呢?
五、爱因斯坦的时间观
时间是与空间几何交织在一起的复杂几何的一部分——爱因斯坦
随着时代的发展,科技的进步,江山代有人才出,到了二十世纪初一位划时代的科学家脱颖而出,这位科学大咖就是爱因斯坦。我看过很多民间的关于世界十大或百大科学家排行榜(似乎没有看到过得到官方认可的排行榜),在很多的排行榜中都把爱因斯坦排在历史以来最伟大的科学家首位。比如常见的排行榜是这样:1.爱因斯坦、2.牛顿、3.达尔文、4.爱迪生…..也有少量的把牛顿爵士排在首位,爱因斯坦居次席。可见爱因斯坦在科学界的地位。
不过,我们并不是因为爱翁是排名榜首的科学家就一定要谈谈他的时间观,而是爱因斯坦确实是数百年来回答“时间是什么”这一问题的集大成者!爱因斯坦最有名的理论不用说是他的相对论,他的相对论到现在仍然是世界奉之为宝典的最伟大的物理理论。
有必要简要科普一下相对论,这与他回答时间是什么有密切关系。狭义相对论:创立于1905,说的是,一切空间和运动都是相对的,时间也一样,并不是对谁都一样!没有绝对的空间和时间,只有光速是绝对的!狭义相对论有两大基础:其一是相对性原理,物理定律在所有的惯性系中都是相同的;其二是光速不变原理。广义相对论:创立于1916年,说的是,引力是时空弯曲的结果,也就是说在广义相对论是在狭义相对论基础上加上了引力的概念。广义相对论主要与引力有关,它揭示了引力的本质——即引力是物体弯曲时空的结果。物体的质量越大,扭曲时空就越显著,表现出的引力作用就越强。狭义相对论是时空的运动学,广义相对论是时空的动力学。简而言之,广义相对论可以借用著名物理学家约翰·惠勒的一句名言来概述:物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。
现在回到时间这个主题,爱因斯坦是怎么解释时间是什么的呢?他将之前亚里斯多德和牛顿两位智者的时间理念进行了整合。科学界普遍认为,整合亚里斯多德与牛顿的时间观念是爱因斯坦最有价值的成就,是他思想中最璀璨的珍宝!爱因斯坦认为超越有形物质的时间和空间的确存在,时间和空间是真实的现象,但不是绝对的,它们并不独立于发生的事件。他认为时空是引力场(是一种场!),反之亦然!如今物理学界已达成共识,宇宙就是在引力场中运行的。
爱因斯坦认为时间不是绝对的,它与空间一起捆绑销售。时间是与空间几何交织在一起的复杂几何的一部分。爱因斯坦更加震撼世界的发现是:时空不是平直的,而是可以弯曲。比如在高处、在高速度下,时间都会变慢。他承认牛顿的绝对时间确实存在,但指出牛顿错认为绝对时间与其他事物无关,均匀流逝,并独立于其他事物。
通过整合,爱因斯坦发现亚里斯多德和牛顿都是对的,并认为时间必须与某种事物相联系而存在,引力场就是这个事物。有科学家认为,人类在20世纪最伟大的发现是:没有不受观察者影响的绝对时间和空间!比如,以接近光速飞行的宇航员,他的时间流逝得非常慢,在黑洞附近,时间也过得异常缓慢,奇点处时间停止。而光子没有时间可言。但爱因斯坦的时间理论就是绝对真理吗?
六、量子时间
时间是分立性的而非连续性的。——量子力学
前文选取了三位不同时代的最顶尖科学家,解析他们的对时间的阐述,亚里斯多德说时间是相对的,牛顿说存在绝的时间,爱因斯坦说,你们都对,时间既是相对的也是绝对的,但时间必须与空间捆绑在一起,构成四维时空,而且由于引力场的作用,时间的快慢在每个人身上和每个地方都不一样,都是相对的。
科学界认为爱因斯坦整合了亚里斯多德和牛顿的时间观念是科学史上最伟大的成就之一。当然,随着时代的发展、科学的进步,即使被认为是最伟大的科学发现或者最广为人知的科学理论也有被修改甚至被颠覆的可能!1915年,爱因斯坦写出了著名的引力场方程,但仅仅一年以后,他自己就注意到,由于量子力学的存在,他那些关于时空本质的认识不可能是最终的结论。加拿大物理学家李.斯莫林说:“在科学史上,还没有哪一种理论比量子理论更成功,它使我们对化学、原子和亚原子物理学、电子学甚至生物学的理解更趋于本质。”,其实不光是李说到的那些领域,在解释时间方面,量子力学同样有颠覆性的发现。
量子力学理论认为:时间是分立性的而非连续的,不确定性的、关联性的。时间的“量子化”表明,几乎所有的时间T的取值都不存在,也就是说爱因斯坦说的连续的引力场不存在,时空不再是线性连续的,而是点状的。如果能用一个无限精密的时钟去测量出量子时间,那么测出来的时间只能有不连续的特定取值,不可能把这段时间当作连续的,而且并没有均匀流动。在这个尺度之下,传统的时间概念根本不存在了!我们用一个更形象的比喻来说吧:在量子力学的时间概念中,时间并不像河流那样流动,而是像时钟那嘀嗒嘀嗒地转动,那每一声嘀嗒持续一个普朗克时间。也就是说,我们的宇宙中时间是在无数时钟的嘀嗒声中流动。
“子在川上曰,逝者如斯夫”“岁月如流”“昨日像那东流水”“流年似水”……我们一直都把时间想像如一条河,不停流逝,但量子力学告诉我们,时间不是一条不断流动的时间长河,而是一个个离散的点!这真是一个颠覆性的概念,一如当头棒喝!
既然如此,我们就必须说说普朗克时间。在说普朗克时间之前,我们来简单解释一下什么是量子:在量子力学中,量子是一个概念性的东西,也就是说,量子并不是一种确切存在的粒子,而是物理学家们定义出来的一个概念,如果某种物理量存在最小、不可分割的基本单位,那么这种物理量就是量子化的,这个最小单位就被称为量子。对于一切现象而言,都存在着最小尺度,在引力场中,这被称为“普郎克尺度”(10-33厘米),时间的最小尺度被称为“普郎克时间”(10-44秒)普朗克时间目前还只是一个概念,因为时间实在太短,目前还是无法测量出来,与普朗克时间相比,我们所熟悉的“1秒”简直是地老天荒那么久远!普朗克时间是怎么算出来的呢?就是光子穿过普朗克尺度所需要的时间长度。普朗克尺度和普朗克时间是量子力学的基础,在这个微观的尺度里,时空不再是它们原来的样子了,“时间是什么”又有了颠覆性的新解释。
好吧,时间一直被科学家们搓来拈去,不管是哪个大咖尝试解释时间,总是又有新的解释推陈出新,以至于我们到现在也不知道,如今的量子时间理论是不是时间这家伙的最终“大结局”。其实还有一个解释时间的重要分支,那就是著名的热力学第二定律。热力学第二定律的核心是熵。熵,物理化学概念,指物体从有序向无序发展的过程,而这个过程可称之为时间。七、熵的秘密
一个孤立系统的总混乱度(“熵”)不会减小。——热力学第二定律
当今时代,时间研究的最新成果是量子力学的时间理论,其最基本的观点是:从量子的角度来看,时间是离散的而不是连续性的。这是不是回答时间是什么这一问题最终的或者说完美的答案呢?也许不是,按照一些科学家的观点,我们对时间这个“当今世界最大的谜团之一”可能还远远谈不上理解,也许我们还仅仅只知道一些皮毛。
不过,现在我们不知道未来会有什么样的时间概念会不断涌现出来,我们也只能凭着科学技术一定会不断进步这一逻辑来判断,据此应该相信随着人类文明的继续发展进步,未来肯定还会有新的有关“时间是什么”的新答案。到底会有什么新的答案,现在无人知晓,也无从知晓。科学技术的进步呈现出加速度的趋势,不要说想象一千年后的科学技术水平,就是一百年后科学技术水平会发展到什么程度都很难想象了。
我们分析了“时间是什么”的四个不同阶段代表性答案后,需要再回头关注另一个在讨论时间理论的时候常常会提到的词——熵。熵,是著名的热力学第二定律中的核心概念,是描述一个系统无序程度的量。热力学第二定律发明于十九世纪,是热力学基本定律之一,其基本概念如下:“热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。
熵增原理:不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。在自然过程中,一个孤立系统的总混乱度(熵)不会减小。”这些概念似乎与时间没有关系,但接下来我们看看科学家怎么说:宇宙存在一个让人绝望的原理|——熵增原理,表明万事万物总是自发地从有序走向无序,从低熵走向高熵,而这个过程体现出来的就是时间!
笔者这样理解,第一,时间是熵增的介质或者帮凶,熵随时间增加;第二,熵增原理决定时间的方向不可逆转,永远向前。这样一说,热力学第二定律和熵就跟时间有了密切的关系了:熵在随着时间增加,熵增定律令时间永不回头!从宏观来看,自宇宙大爆炸以来,我们的世界就一直随着时间从有序向无序发展(从低熵到高熵),从微观来看,一颗鸡蛋打碎后不可能自主还原,你的房间不捡拾永远会越来越乱…..意大利科学家卡洛.罗韦利说:“推动世界的不是能量,而是熵!正是这个熵的增加驱动了宇宙的伟大故事。”
看来,作为自然存在的时间确实无比神密,数千年来,人类虽然一直在不断探索时间的本质,但可能离时间的真像还有遥远的距离,对于我们普通的人来说,大多数人都不会去纠结时间到底是什么,正如社会学家们所指出的那样:“你怎么使用时间,时间就是什么!”,让我们好好享用时间这种廉价而宝贵的物品吧,因为你稍不留神,它就会从你手中遛走。
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