你有《时间简史》吗?不如我讲给你听

2019年10月26日 17:33

每分每秒都在消耗它,你真的理解过它吗?带你科学地认识"时间"

虫洞概念图

时间是啥?

时间是一种很难定义,却又容易被感知的东西。

那种感觉就像用尺子量裤长很容易,但却回答不了“尺子的本质是什么?”。

时间是人为定义的过程变化的量度。在爱因斯坦之前,时间也只是作为一个参数出现在物理公式中。直到爱因斯坦的相对论指出时间的流逝速度并非绝对,而是会受引力场影响的变量。

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动画《Rick and Morty》S02E01

这算是时间认知上的一次突破,要知道人自古认为时间的流逝是亘古不变的,失去了不可再得到,因此时间才会异常珍贵:“一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴”。古人也对时间的不变性的有着极高的崇拜,常将时间拜为神明。大家不妨查下漫威体系、克苏鲁神话体系,如今的创作者仍保留将时间作为宇宙最高神明之一的习惯。

但如果时间是可以变快、变慢,甚至逆转,你还会珍惜它吗?

四维时空观

不过时间不可孤立讨论,就像去讨论地球,“要是没有了太阳,地球上的水稻可以采用人工光源种植吗?”或者“要是地球各地的温度都一样平均,会不会更舒服啊?”。很遗憾这些改动的假设都是构成“地球”的一部分,没有这部分,“地球”的功能就不再是完整的,讨论的意义十分有限。

拜托,没有太阳,八大行星的轨道也会发生剧变,地球搞不好真会被木星撕裂呢;地表则会逐渐温度下降到接近绝对零度,水稻什么的不存在的;而如果地球各地温度是一样的,没有了季风和洋流,我想是不会舒服的。

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时间也是如此,作为衡量空间中运动的量度,没有了运动的实体,就没有讨论时间的必要;而没有时间,也不可能探讨运动。时间与空间是一个统一整体,称为“时空”,或者说“四维时空”,含三个空间维度和一个时间维度。

鉴于我们每时每刻都生活在这“四维时空”中,实在不需要让大家“感受”时空。不过你有思考过从上帝视角观察“四维时空”的样子么?

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现在假设你在家安置了监控摄像头,能拍到客厅的全景。你想查看这一个月以来客厅的监控记录,于是在电脑上你用鼠标快速拖动播放器的进度条,于是这一个月以来,整个客厅的人来人往都被你在很短时间内看得明明白白。

这就类似四维时空的整体样貌了,在四维时空里记录着每时每刻的三维世界。监控录像里显示着每一时刻的三维世界,而进度条就是时间维度。三维世界中的运动与时间维绑定,就如同视频中的画面与时间轴绑定一样。

改变时间

恭喜你,已经能理解四维时空的整体形貌,我们再来了解一些时空的特性。

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电影《星际穿越》

上面讲到爱因斯坦认为对时间的感受不是绝对的,而是相对的。比如你可能会希望比闺蜜更年轻,让自己的时光慢一些。那么你可以进入一个强引力场,比如黑洞周围(参考诺兰的电影《星际穿越》),相对于地球上的闺蜜,你的时间将流逝得更慢。等你返回地球会发现,你主观感受才离开1天,地球却已过去了10年,真的是“到乡翻似烂柯人”。

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日漫《命运石之门》 中的世界线变动率探测仪

时间之箭

那我们玩得再大一点,时间可逆吗?

热力学说不可逆,但也不一定

伦敦大学教授彼得·柯文尼的著作《时间之箭》中,从物理层面讨论了时间的可逆性。

力学与电磁学都允许时间可逆,就像你把苹果往天上抛与苹果从天下掉下来,若不考虑空气阻力,其运动轨迹、速度曲线都是完全相似的,不过是运动的方向相反而已。因此我们如果我把苹果运动录像,不告诉你是正放还是倒放录像,你是无法根据运动轨迹判断苹果究竟是下落还是上升的。

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但奇妙的热力学例外。将墨水滴在清水中,你只见过墨水逐渐撒开,最后整杯水是均匀的淡墨色,却从没见过墨水最后还能反过来聚成一滴吧。加在咖啡里的牛奶,最后也会完全与咖啡融合在一起,你想把里面的牛奶再收回来就很难很难了。所谓“泼出去的水收不回来”,算是热力学第二定律的一个中文版诠释。也就是说,事情发生是会朝着某一特定的时间方向进行的,不能逆时间运行。盘子掉到地上摔碎了是常事,但碎成渣的盘子碎片沿着原来的轨迹拼回来完好的盘子,最后又上升飞回到桌上的怪事,根据热力学第二定律,是不会发生的。

热力学第二定律以一己之力阻止了时间逆行!当然,如果讨论得更深入的话,热力学第二定律作为宏观统计规律,是不会阻止局部的熵减过程的。所以,在浩瀚的宇宙大系统中,热力学第二定律并不阻止局部发生时间逆转!

因果律说时光倒流不存在的,惨遭打脸

不过热力学定律也并不孤独,因果律本来也是禁止时间逆行的。时间如果可以逆行,因果律就会崩盘,参考著名的祖父悖论。

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电影《回到未来》

我们先假设这儿有一只小明,小明在2000年发明了时间机器,便回到了60年前的祖父家,小明会告诉祖父某一期的彩票号码,让祖父拿大奖,但条件是祖父必须一辈子单身(这样也算是避免凶杀惨案了)。问题来了,如果60年前的祖父在小明监督下真的做了绝育手术,就真的不能生育后代了,那小明的爸爸也不会存在,继而60年后的2000年也将不存在小明。那小明既然不存在,又是谁在2000年回到了过去让祖父绝育的呢?

这就是祖父悖论(的非暴力版本),祖父悖论中的自相矛盾,实质上杜绝了回到故去的可能性。

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只可惜因果律并没有撑太久,现在已发展出多个版本的时空理论,可以在回到过去的前提下,不违背因果律。比如平行宇宙理论(也称多重宇宙理论),我们看下这次的祖父会演变成什么样。

为了便于计算,小明依旧在2000年发明了时间机器,回到了60年前的祖父家,小明让祖父拿大奖,但条件是祖父必须绝育。祖父做完了绝育手术,但小明并没有消失。这是因为小明在回溯60年时间后来到的,其实是另一个宇宙,这里遇见的祖父并不是自己的亲生祖父。那么这个宇宙的祖父没有后代,当然不会影响到来自另一个宇宙的小明。这便是平行宇宙理论。换言之,因果律已无法阻止回到过去,但你只能回到其他宇宙的过去,并不会对你原本的宇宙产生影响。所以说,人生还是不要留下遗憾的好,就算时光倒流,你也不会遇到原来的那个人了。

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动画《Rick and Morty》S02E01

我想薛定谔应该会是平行宇宙理论的支持者,因为该理论可以放置他无处安放的量子态猫。原子处于衰变与不衰变的叠加态是可以为大家所接受的,毕竟是微观粒子嘛。但薛定谔将原子的衰变与猫的性命绑定在一起,微观规律转化为宏观现象了。按照量子理论,箱子里关着一只处于死与生叠加态的猫,就是说猫既是死的也是活的。他提出这个佯谬就是想反驳量子力学的概率解释,毕竟在宏观现实中不存在概率的东西,只有活猫或者死猫,没有中间值。而平行宇宙理论可以化解这个矛盾,一个现实里不可能同时存在两种状态的猫,那我弄两个平行现实不就结了?薛定谔把猫放进箱子里后,宇宙就像分裂成了两个,其中一个宇宙中的猫是活的,另一个宇宙的猫是死的。如果你打开箱子看到的是活猫,表明你身处活猫的那个宇宙。按照这个理论,你每一次掷6面骰子,都产生了6个宇宙,如果你摇到了3点,表明“你”的意识正处于“3点”的宇宙。当然,还有剩余5个你,分别活在另外5个宇宙呢。

这种理论看起来非常浪费资源,每一次选择就相当于分裂并进入其中一个宇宙,从大爆炸至今,该有多少种可能性,多少次选择啊?又或者宇宙初始就是无穷多个的,我们现在所做的每一次可能性,初始宇宙都已经帮我们预备好了一个平行宇宙,可以安放所有的可能性。这就进入决定论的领域了,想想真是细思极恐呢!

文学、影视作品中的时空观(但此处空白太小…)

平行宇宙解释是一种非常吸引人的思想,多少艺术家据此创作出伟大的作品。

此处空白太小写不下…有缘的话,我们以后再聊一聊文学和影视作品中的时空设定。