一座充满可能性的时间迷宫

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作者 | 保罗·哈尔彭

译者 | 齐师傍



本文经中信出版集团授权节选自《量子迷宫》第3章。全书讲述了两位伟大物理学家理查德·费曼和约翰·惠勒从结识到取得重大学术突破,成为一生挚友的故事。由于他们的工作,人们对时间和现实的认知发生彻底改变。




时间的韵律


在历史上,人类有过很多种时间模型。在古代,占主导地位的是周期性的时间观,这或许并不令人惊讶。我们身体的节律是周期性的,天体的运动模式是周期性的,无休止的季节轮回也在提醒我们时间是周而复始的。占星术和转世再生的概念长盛不衰,表明周期性时间观在人们心中是多么根深蒂固。


大自然拥有无数种呈现其节奏的方式。宇宙中有互相嵌套的大小周期:从地球每天自转一周,到它每年稳定地绕太阳公转一周,再到太阳绕着银河系中心旋转。夜以继日,霜冻复融。月球绕着地球旋转给潮汐赋予了周期,每个天体的能量平衡决定了它自身的周期节奏。


生物会对这些周期性模式做出反应,形成它们自己的周期性行为。鸟类会迁徙,熊会冬眠,鲑鱼每年都要到河流的上游产卵。人类的生活也有类似的生物钟,我们会按照固定的时间间隔起床、吃饭、睡觉,哪怕生活在阳光照射不到的角落时亦如此。如果试图无视这些生理节奏,我们的身体就会背叛我们,让我们自动醒来、饥肠辘辘、浑身疲乏。


既然日夜与季节都是循环交替的,就难怪大多数古代文化都认为时间在本质上是周期性的。从玛雅人刻在圆形石头上的日历到古代中国的太极图,从古埃及的衔尾蛇(一条咬住自己尾巴的蛇)到古印度的阿育王之轮,全世界都有表示周期循环的符号。备受尊敬的古代历法不仅包含日、月和年,还包含更长的周期——宇宙的毁灭与重生。


比如,根据以梵语写成的古印度圣言经文《往世书》(4世纪),世界由时长不同的一个个周期组成。历史在一系列不断重复的时段之间前行,这种时段被称为“时代”,每个时代都包含几十万年以上的时间。在有些叙述中,还有一种更长的时间周期,被称为“大时代”,它包含数百万年的时间。每个大时代又是一个更长的时间周期的组成部分,这个更长的时间周期被称为“劫”,它长达数十亿年。行星的排列等天文事件,以及地上的洪灾、火灾等灾难性事件,都标志着这些周期之间的过渡。


周期性时间具有重复、可逆和决定论的特征。正如《圣经·传道书》中所说:“凡事都有定期”。只要等待得足够久,周期中的每个阶段都会重来。然而,周期性时间观并不能解释所有问题。自然世界中数不清的特征都表明,时间有时候更像一个单向箭头。有这样一个箭头来自热力学,热力学是研究热量和能量的学科。根据德国物理学家鲁道夫·克劳修斯在19世纪中叶提出的热力学第二定律,对于任何封闭过程,有一个叫作“熵”的量要么保持不变,要么增加,但它永远不会减少。熵反映了一个系统中有多少能量不能用来做功,熵越大,被浪费的能量就越多。


熵也可以用来衡量一个系统独特性的缺失,一个系统越是独一无二,它的熵就越小,反之亦然。通常来说,有序系统的熵要小于无序系统。这里所说的“有序”,是指系统中粒子排列的独特性。


比如,同样是水分子,把它们组合成一片具有特定图案的雪花,就比组合成水坑中的一洼水要难得多。雪花中的各个水分子形成了极为复杂的排列,这比水坑中混乱的液态排列不寻常得多,因此前者的熵也小得多。根据热力学第二定律,落在地面上的雪花可以融化成一洼没有特定形状的液体,但水坑中的水永远不可能自发变成美丽的雪花。


开尔文勋爵猜想,宇宙的熵会随着时间的推移逐渐增加,导致可用的能量越来越少,整个宇宙最终会进入一种被称为“热寂”的惰性状态。到那时,为恒星内核提供能量的大熔炉(我们现在知道,其能量来源是核能)将会停止运行,恒星的外壳会蒸发或者爆炸,只留下惰性的内核。哪怕是这些温度较低的残骸(现在我们知道它们可能是白矮星、中子星或黑洞,依原始恒星的质量而定),随着时间的推移,它们也会缓慢地把能量散布到太空中,直到整个宇宙变得毫无生机、索然无味。指向这一凄凉未来的路标,被称为“热力学的时间之箭”。


然而,生物进化的方向与这一箭头的方向完全相反。生物学告诉我们,至少在我们居住的这个星球上,进化产生的结果是越来越复杂,而不是越来越简单。生命几十亿年来的进化历程展现了简单的有机体如何通过自然选择进化为高度复杂的生命形式,比如海豚、猩猩、狗和人类。即使最悲观的人也会承认,人类比变形虫复杂得多。人类拥有理解自身、预测未来、改造环境、绘制宇宙图景等各种卓越的能力。人类智慧的产物——技术,变得越来越先进。因此,进化似乎赋予了我们另一个不断上升的时间之箭。


那么,哪个箭头最终会胜利呢,是热力学的箭头还是进化的箭头?在没有特殊变化的情况下,热力学的箭头最终会主宰我们的命运。生命的维系需要有序的能量源源不断地注入,比如太阳或者其他可用的能量源。到最后,所有生物都会因能量失衡而死亡。地球上的生命如此脆弱,所以宇宙的寿命应该远比他们长。不过,在一些人的想象中,比如艾萨克·阿西莫夫的科幻小说《最后的问题》,先进文明最终掌握了逆转热力学第二定律的技能,使生命组织的力量战胜了衰败的趋势。

我们所有人,包括不理解热力学时间之箭的人,都能强烈地感觉到时间的流逝。我们的意识似乎会一直推动着我们沿着时间前行,从出生到死亡。依据我们熟悉的日常经验,原因似乎总在结果之前。


虽然时间是无形的,但我们似乎无法摆脱它永不停息的流逝。是什么让时间不停地流逝呢?我们对时间向前流逝的感觉会不会只是一种幻觉,就好像我们看到的动画片其实只是一系列静止图片的快速翻动一样?或者说,时间的流逝是一种真实现象,与某种箭头有关?不管时间源于何处,不管它是幻觉还是真实存在,我们的意识都反映了另一种时间之箭。


然而,在描述自然的最基本层面上,线性的时间观也有缺陷。约翰·惠勒和理查德·费曼的工作表明,量子世界中的某些过程似乎违反了因果律。麦克斯韦方程组产生的信号既可以沿时间正向运动,也可以反向运动,惠勒–费曼吸收体理论则把两种方向的运动混合在一起。费曼迅速采纳了惠勒的提议,即把正电子看作沿时间反向运动的电子,这进一步瓦解了粒子物理学中任何类似于时间之箭的东西。



迷宫般的时间


对历史求和的方法既不是周期性的,也不是箭头式的,它提供了看待时间的第三种方式:由多种不断分岔的可能性组成的迷宫。时间中的每个点都伸出许多指向未来的枝蔓,也生出许多指向过去的根须。这些枝蔓和根须不断扭曲、转向、融合,又再次分岔。在量子世界中,只沿着一个枝条前行是不够的,你需要纵览整棵树才能洞悉它的全貌,不管它有多么错综复杂。


迷宫一词可以追溯到一个著名的希腊神话,它讲述了被囚禁在无法逃脱的迷宫中的半人半牛怪物弥诺陶洛斯的故事。在这个故事中,弥诺斯王指派才智过人的科学家、建筑师和发明家代达罗斯(生于雅典,但被流放于克里特岛)为这个可憎的怪物建一处住所。代达罗斯建造了一座极为复杂的宫殿,里面有迂回曲折的走廊、螺旋状的楼梯、高耸的塔楼和毫无可辨特征的房间,并给它取名“迷宫”,这是克里特岛上的一个双头斧形神圣标志的名字。在这座宫殿完工后,代达罗斯把弥诺陶洛斯囚于宫殿中央,并告诉国王这个怪兽绝不可能逃脱。


弥诺斯的儿子在去往雅典的路上被一头危险的公牛杀死了,为了复仇,弥诺斯决定每隔9年就把雅典的7个童男和7个童女送去克里特岛,作为祭品献给弥诺陶洛斯。这些童男童女一到克里特岛,就被送入迷宫,没有任何机会逃脱,只能绝望地被弥诺陶洛斯吃掉。


迷宫的设计如此精妙,他们根本逃不掉,只能漫无目的地在蜿蜒的走廊、复杂的通道和无尽的房间中徘徊,不知会在何时何地遇到怪兽的袭击。在经历长时间绝望的等待之后,最终被怪兽吃掉。


一位名叫忒修斯的小伙子十分同情这些童男童女的命运,决定破解迷宫,并杀死里面的怪兽。弥诺斯的小女儿阿里阿德涅想帮助他,便听从代达罗斯的建议,给了忒修斯一个线团,并把线的一头系在迷宫的大门上。忒修斯走进迷宫,手里紧握着线的另一头,一路寻找弥诺陶洛斯。他发现了正在睡觉的弥诺陶洛斯,把它死死地按在地上,赤手空拳地打死了它。之后,忒修斯凭借手中的线,艰难地逃离了迷宫。回到雅典后,他被人们奉为英雄,最终成了雅典国王。


许多学者,比如已过世的符号学家安伯托·艾柯,都将这个关于迷宫的传说看作一个比喻,代指人类尝试描绘并复制宇宙复杂性的过程。在这类诠释中,代达罗斯代表典型的科学家。艾柯在《玫瑰之名》(Postscript to the Name of the Rose )一书中指出,迷宫的复杂性有不同的等级。单迷宫只有一条可行之路,而复迷宫有很多条可行之路。最复杂的迷宫被称为根状迷宫,它有无数条可能的路径。在量子迷宫里,忒修斯可以走不止一条路,而可以同时走很多条路。


他不只能牵着一条线,而是可以布下由很多条线组成的天罗地网,同时探索多条路。在其中一些路上,他可以在自己精力充沛的时候就找到怪兽并打死它,而另一些路可能极端迂回曲折,以至于他走到精疲力竭,无力完成任务。这样一来,雅典人在讲述他的故事时,就需要把每一条可能的路径都纳入其中,对他更有可能选择的路径则要偏重一些。大多数时候,雅典人在复述这个故事时讲述的都是忒修斯做出的最明智、最直接的选择,但他们偶尔也要提及他做出的可能会把他自己送进地狱的愚蠢选择。这种叙事方式不同于经典的历史叙事,它需要对历史进行量子求和,这恐怕会让研究希腊神话的学生更加困惑不解。


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作者:保罗·哈尔彭     译者:齐师傍

出版品牌:中信出版·鹦鹉螺

这是一本理查德·费曼和约翰·惠勒的传记,讲述了两位物理学巨擘的人生历程和科学生涯;也是一段从牛顿理论到爱因斯坦相对论再到量子力学的物理学史话。丰满的人物、生动的故事,前沿的科学观点、撞击的思想火花,让读者对迷宫般的量子力学有一个全面、清晰的认知。

注:本文转载自墨子沙龙。


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