​深度书评 | 想在当下——读穆勒的时间物理学-资讯-知识分子

​深度书评 | 想在当下——读穆勒的时间物理学

2022/09/13
导读
中秋节快乐

撰文 | 李泳

时间是什么?你若不问,我倒是知道;若要我解释,我什么都不知道。这是1700年前的奥古斯丁在《忏悔录》说的,今天也可以说。时间一直是人们发呆的最佳借口,是哲学家无聊时最喜欢的沉思,如今也是物理学家思维漫游的课题。


哲学家(如海德格尔)惯用新名词来模糊时间,让它变得深沉而玄妙;物理学家更乐意从理论幻化出五花八门的时间图景,远远超出艺术家的想象(如达利的“永恒的记忆”)。自相对论以来,物理学的时间不再是平直的流线(“逝者如斯”),而是与空间构成可形变的“流体”,不再有独立的意义。但我们有限的想象力无法真正将时间维度与空间维度融在一起,总是感觉它与空间不同,依然为它生出各种“幻觉”。正如“抱有信念的”爱因斯坦说的,“过去、现在和未来之差别的唯一意义,只不过是一种顽固的幻觉而已”。


近些年来,物理学家在更加顽固地寻求时间的“意义”,从量子走向生命、意识乃至自由意志。穆勒的书漫谈了物理图景下的时间,囊括了相关的概念、理论、实验、发现和问题。读完全书,我们或许不会知道时间的物理学究竟是什么,但肯定可以知道今天的物理学漫画了什么样的时间。


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时间的理论就是相对论和量子论框架下的时间过程。在狭义相对论中,运动令时间节奏变缓;在广义相对论里,引力起着运动(加速度)的作用,“楼上的时间跑得更快”(地球的引力场强度是高度的平方反比);在黑洞旅行中,远处的观测者会发现探险者无限缓慢地趋近视界(因为这一点,穆勒认为根本没有黑洞,它们要无限长时间才会形成),而探险者本人与寻常一样几分钟就穿过了(这是所谓“宇宙监督”假设下的图景);宇宙加速膨胀(因为暗能量)则意味着现代的时间流在加速——这个效应伴随着宇宙暴胀,也许可以直接从引力波信号或间接从微波辐射的极化中找到证据。


在经典电磁学里,电磁波的数学解存在推迟势和超前势,爱因斯坦与Walter Ritz还有过两种“势”的争论。一般教科书都说超前势违背因果律,没有物理意义;Ritz也那么想。但爱因斯坦认为它既然是理论的一部分,就应该留下来。后来,费曼证明爱因斯坦是对的,电磁行为是时间对称的,辐射没有时间箭头。虽然麦克斯韦方程是时间对称的,边界条件也能定义一种辐射的时间箭头。在热力学中,不可逆过程直观表现了时间的单向性,于是普遍认为时间箭头就是熵增的方向。


彭罗斯在这方面挖掘得很深远。他的CCC(共形循环宇宙)理论就是为熵赋予一个数学形式(外尔张量),然后通过其共形变换构想一个多世代的宇宙演化模式,形成一种新的宇宙时间图景(因此书以时间为题:时间的循环)。霍金等为黑洞构建了几个平行于热力学定律的法则,于是黑洞的演化(视界面积总是增加)也代表一种时间箭头。


穆勒的态度是,时间箭头的熵增解释“漏洞百出”“几乎肯定是错的”。它没预言任何物理现象,也没得到什么实验的检验。穆勒称它“伪理论”(pseudotheory)。穆勒更看重量子的作用。由于量子的三个基本特征——态的线性叠加、波函数的坍缩(态的测量)和非定域性(量子纠缠)——量子的时间与相对论时间是完全不同的。由于量子力学是时间对称的,并没有内禀的时间箭头;甚至可以想象逆时间的粒子活动。

在费曼图中,正电子就等于逆着时间运动的电子。这大概只能是一种数学形式,若要推及实在,倒能想象一个有趣的图景:人死后灵魂“将”逆着时间回去,散射,然后顺着时间运动,变成另一个人。人们肯定接受不了对物理学的数学进行如此的解读。量子力学的困惑还在于“测量”,薛定谔猫的生死依赖于测量;也许一个完备的测量理论能告诉我们时间的起源和方向。


现在我们只有“记忆的”箭头,即测量只影响未来而不能影响过去——这个意义的非对称也是时间箭头。在量子场论中,总是需要将场分解为正负频率,正频率波沿时间传播,而负频率波逆时间传播。彭罗斯将这种频率分解方法整体性地用于时空,创建了扭量——时空中的光线对应扭量空间的一个点,而时空的点对应为黎曼球。这样,时空不再是物理学的最基本元素了。


本书的趣味,不在穆勒的时间理论,而在他的物理故事,几个与时间有关的实验发现。第一个故事关乎宇宙微波背景。1967年,还在哈佛读博士的Joseph Silk给自然杂志写了一封信,针对新发现的微波背景辐射提出一个问题:原初火球的涨落是否残留到星系可能形成的时期?这是当年微波背景辐射激发的宇宙学兴趣。


几年后,穆勒请George F. Smoot一起做Peebles在新书《物理宇宙学》中建议的“新以太漂移实验”,通过观测星系在自然宇宙坐标系(即微波背景)的运动来描述大爆炸宇宙的膨胀。这个实验名字令人想起相对论之前的为观测地球在“绝对空间(以太)”运动的老迈克尔逊-莫雷实验(本为检验以太,却否定了以太),所以很多物理学家对实验抱有强烈偏见。穆勒说动了很多同行来支持,但后来因不满NASA的官僚作风而退出了,Smoot接手坚持下来,然后因发现CMB的各向异性获2006年诺贝尔物理学奖(老师辈的Peebles到2019年才因CBM的理论获奖)。


退出追溯时间起点的CMB实验后,穆勒转向去追寻宇宙的终点(叫Ω计划)(通过寻找超新星)。他宁愿拿15万美元的Waterman奖金来启动实验,而不愿看官僚的脸色。“幸好我有终身职位,有薪水,不需要听任何老板的话。”实验很冒险,那会儿他根本不知道接下来怎么办——这份胆略是他从导师Luis Alvarez(因发现大量共振态获1968年诺奖)那儿培养起来的(甚或青出于蓝),跟他的也只有“二三子”。他为实验奠定了理论基础,而实验由他学生领导。理论预言,星系间的引力将减缓哈勃膨胀的速率。1992年,他让他的第四个学生Saul Perlmutter主持实验,自己又跑去开拓新计划。1999年,Saul带着他的团队发现宇宙膨胀在加速(可能关乎暗物质),并因此发现获得2011年诺奖。


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时间箭头意味着时间对称的丧失。关于这一点,穆勒是有一点“遗恨”的。早在1960年代,他和老师Phil Dauber就发现时间对称被打破了,实验结果在统计意义上有95%的可信度,穆勒很得意。但Dauber认为这对确认一个大发现是远远不够的,成功几率几乎等于零。结果没能发表,穆勒失去了一次光宗耀祖的机会,一直耿耿于怀。多年以后,新的实验证明他们的结果确实错了。穆勒得到一个很好的教训。


还有一个实验是穆勒在劳伦斯伯克利实验室做的p子实验,他发现两个完全相同(在量子力学意义上)的p子在不同时间衰变,犹如两捆相同炸药被同时点燃却不同时爆炸。这等于说未来并不取决于当下。那么,当下能在多大程度上决定未来呢?这就牵出所谓自由意志的问题。p子似乎有自由意志。去年因新冠去世的数学大玩家John Conway在十几年前提出“自由意志定理”,大概意思是实验者能自由选择实验结果。


这个问题归根结蒂是量子的纠缠特征和测量问题,源自爱因斯坦等人提出的那个著名EPR悖论。自由意志定理以严格的形式证明了不可能存在决定量子态的 “隐变量”。关于这一点,穆勒在书中讲了Freedman 和Clauser的实验——他们在1960年代就开始做实验证明隐变量,结果却发现“正统的”量子力学是对的,不存在隐变量。“颠覆量子力学的妄想被实验数据打得粉碎。”


粒子行为与人的自由意志(如叔本华和尼采)有什么关系呢?穆老的说法是,如果人类总是遵从概率法则,就不存在自由意志;如果人类老做不能基于外在影响预言的不太可能的事情,那就有自由意志了……

从物理学漫游到自由意志,恰好是因为我们对时间有特别的感觉,但物理学不管感觉。穆勒费了很多篇幅来谈物理学以外的事情。他认为假如人就是机器,“当下”(时间)也就没有意义了。因此我们需要知道怎么看,怎么听,知道心(soul)和脑(brain)的感知(人体如何处理信号)。但是,在穆勒看来,所有与人有关的(anthro-)时间的解释,与熵一样,都是泡利所说的“连错都算不上”(not even wrong)。

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