未来已成定局？爱因斯坦时间观遭挑战

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　　我们能够感觉到时间在不停地流逝，但在爱因斯坦等物理学家看来，时间只是我们的感官所引起的错觉，过去、现在和未来并没有什么不同，早已被书写在四维的块宇宙之中。来自开普敦大学的宇宙学家埃利斯却向这种观点发起了挑战，他结合广义相对论与量子力学，构建了更符合我们直觉的时间观。

　　乔治?埃利斯（George Ellis）并不害怕对抗权威。作为开普敦大学的宇宙学家，埃利斯把自己的目光放到了更为抽象的事物上：时间本身的流逝。

　　阿尔伯特?爱因斯坦（Albert Einstein）在20世纪早期首次提出，传统理论认为的时间流逝只是一种错觉。过去和未来之间并没什么不同，都早已成定局。然而对于埃利斯来说，这种主流理论的哲学含义并不和我们的直觉相违背；他认为传统的想法很危险，因为他们剥夺了我们的自由意志与道德责任。埃利斯的科学目标是把时间带回物理学领域，让宇宙可以创造自己的未来，并赋予我们改变命运的能力。


乔治?埃利斯认为爱因斯坦走得太远了――未来还未定。

　　块宇宙假说

　　17世纪时，在牛顿的《数学原理》里，这位英国的物理学家构建了一套符合我们日常经验的时间观。他描绘了一块宇宙中通用的秒表，它的滴嗒声让整个宇宙的时间在每一秒、每一分钟、每一小时里均匀地流逝。在牛顿的观念里，不论你的位置和运动状态，你都会同意埃利斯在剑桥大学三一学院的长凳上花了十分钟喝完了咖啡。而每隔15分钟，他都能听见三一学院华美钟塔的铃声，这座钟塔早在年轻的牛顿第一次踏进校园的半个世纪前就矗立在这里，精准地记录着时间的流逝。

　　1905年，爱因斯坦推翻了牛顿的宇宙存在绝对时间的和谐图景。取而代之的是不协调的、相对的时间观，该观点认为不同的人对同一事件的持续时间可能有不同的感知，甚至不同事物的发生顺序也不一致。年轻的爱因斯坦意识到，时间事实上是我们所观察到的三维空间之外的第四维度，也在此基础上创造了被称为“块宇宙”（block universe）的现实图景。

　　埃利斯认为，为了解释块宇宙是怎么一回事，你可以想象对一个地点进行连续拍照，比如剑桥的学生们带着书本去参加考试，忧心忡忡地走过三一学院的场景。如果你将拍摄的照片一张接一张地顺序播放，你可以将其制成一部电影，时间在其中自然地流逝，这与我们对时间流逝的感知一致。但如果你将照片全部堆叠在一起，学生们穿过院子的过程将一次性完整地展现在你眼前。第二种情况就与块宇宙的观点类似，过去、现在和未来是同时存在的，时间流逝一说并无意义；所有事件都是相互并存的。

　　当然，一组照片只能展示沿着时间拍摄到的空间的两个维度。将其扩展到整个宇宙的三维空间，还要包含宇宙全部的历史以及未来会发生的所有事，这样就能得到爱因斯坦理论下完整的块宇宙，就像一份静止的记录，包含了所有曾经发生和将要发生的所有事件。

　　埃利斯强调，块宇宙与播放一段连续时刻的电影不同，块宇宙因为其中没有一个明确的时间点可以用来标明“现在”，不同的个体对哪个时刻属于“现在”的认知并不一致，不存在一个独一无二的标记来区分已经固定的过去和开放的未来。就像两个学生坐在院子里的不同角落，从他们各自的角度看到的三一学院的钟塔的影子长度不相等，对于时间来说也是一样：爱因斯坦意识到在块宇宙中时间也只是另一个维度，那在时空中不同位置的观察者对于同一个事件的持续时间可能有不同的意见。也许有人会准确指出埃利斯花在喝咖啡上的时间不只10分钟。

　　不仅如此。在爱因斯坦的块宇宙中，不同的观察者看到的事件的发生顺序也可能不同，就像院子里不同位置的学生对于埃利斯是在钟塔的左侧还是右侧会有不同的看法。一个人觉得埃利斯在钟塔敲响下午2点的钟声之后才喝完咖啡，而另一个人觉得喝完咖啡的时间在2点之前。这些差异完全取决于观察者在块宇宙中运动的速度和方向，因为这会影响这些事件发出的光到达观察者所需要的时间。以人类所能达到的速度来说，这种差异小到难以察觉，但已经被在国际空间站和高速飞机上所做的实验证实。

　　那么在块宇宙中，对一些人来说是未来的事在另一些人看来其实是过去，这要取决于观察者的位置和运动状态。未发生的事件对另一些人来说已经发生。未来对于你来说可能是未知数，但却早已成定局。爱因斯坦自己是这样描述的：“对我们这样相信物理的人来说，过去、现在和未来之间的差别只是一种顽固而持久的错觉。”

　　大多数物理学家已经学会接受爱因斯坦的宇宙观点以及宇宙的基本方程，确定所谓时间的“前进”方向是任意的，但埃利斯的直觉认为还有更深的次层需要研究。他说：“我回到这里尝试研究对事物真实的感受”。



　　对于思考时间的流动来说，没有什么比剑桥大学数百年历史的三一学院更好的去处了，虽然爱因斯坦认为未来与过去一样真实，埃利斯依然认为未来只是可能性的集合，直到它融入现在这个时间点。

　　流失的时间

　　虽然埃利斯对于块宇宙里的时间观保留意见，他依然钦佩爱因斯坦，而且在1960年搬到剑桥攻读世界著名的宇宙学家丹尼斯?夏玛（Dennis Sciama）的博士学位时，这种敬意更深了。在担任研究人员的开始几年，埃利斯赢得了世界级宇宙学家的声誉，因为他解决了爱因斯坦时空方程中一些棘手的数学难题。

　　埃利斯钦敬爱因斯坦的数学独创性，但是块体宇宙理论从哲学意义来说，认为未来和过去都是注定，这一点埃利斯表示怀疑。

　　在剑桥，埃利斯很快就与年轻的斯蒂芬?霍金（Stephen Hawking）一起工作，他们同在夏玛的门下。霍金因为投身于研究宇宙起源以及黑洞本质而声名大噪，但是埃利斯并没有这般待遇。1973年，33岁的埃利斯离开了剑桥大学，并结束了与霍金密切的合作研究，回到南非的开普敦大学数学系建立了自己的团队。

　　到了他学术生涯的晚期，埃利斯在2005年时将他的注意力转移到了困扰他学生时代的基础物理学难题：在没有时间的现实观念中，要如何解决其中个人主体缺失的问题。为此，他重新审视了爱因斯坦的块宇宙观，着眼于开发一种保持最佳特性的新模型，这个模型既包含了实验已经验证的时间相对性，也同时也恢复了另一个观点：本质上现在与过去和未来是区分开来的。

　　埃利斯的新模型并不是要颠覆块宇宙理论，而更像是对其的改进。他从2006年起发表了一系列备受关注的论文，在其理论框架中，埃利斯保留了四维时空，而且符合相对论的预测。然而，他认为爱因斯坦把这个观点推的太远，没有必要假设第四个维度已经延伸至无穷远处。因此埃利斯的模型与爱因斯坦的关键区别在于：未来的边界并不包含所有将要发生的事。

　　相反，时空的前沿标志着“现在”向外逐渐延伸，一刻接着一刻，将明天的可能性在昨天就确定下来。“明天的宇宙将会比今天多一天”，埃利斯说：“过去是真实的，并且能够对现在的我们施加影响，但未来还不存在，也无法影响我们。”


切碎块体宇宙

　　埃利斯的计算表明，虽然相对论预言不同观察者见到的不同事件发生的顺序不同，但与他的块宇宙延伸理论并不矛盾。在埃利斯和爱因斯坦的图景中，不同观察者所看到事件发生的时间差异与光从事件抵达观察者的时间有关。在爱因斯坦看来，这些事件和未来的所有事件可以共同存在。但埃利斯认为，这些事件必须存在于过去已形成的块宇宙中，这样这些事件才能被定下来并且传输到其他人。同样，埃利斯也认为，两个观察者无法对同一事件的持续时间达成一致，只会在事件已经发生之后。因此，埃利斯的时间模型保留了足够的块宇宙来符合相对论的预言，但不包含爱因斯坦激进地将第四维度延展至无穷未来的假设。

　　如果埃利斯是对的，他要如何解释宇宙的前沿不断向前推进的机制？他说“界面就是不确定的未来不断转化为确定的过去的地方”。他从物理家们所熟知的另一个物理学分支上看到了希望，这个分支认为能够将显而易见的不确定性转化为确定的现实。它属于量子力学的领域，这是一种能够控制亚原子粒子行为的奇特理论。

　　量子水平上都是由机会和概率决定。例如，我们无法预测粒子确切的运动状态，包括粒子的位置和能量，直到你去测量它。而在此之前，这个粒子由无数的可能性构成，处在由无数可能的位置、速度、能量所组成的“叠加态”。然而，一旦粒子被观察，这个含有各种可能性的泡沫将破裂，坍缩为一个单一、随机但确定的状态。这是一个严格的单向过程，一旦状态坍缩，粒子将无法自然地回到之前的多重态。而被观测之前我们也无法预知粒子坍缩后的状态，最终结果无法预先设定。

　　这种看起来与爱因斯坦的块宇宙相矛盾的理论已被实验多次证明。几十年来物理学家深知量子力学与广义相对论无法相容。两者对时间的自然状态有不同的观点，前者认为时间是自然流逝的实体，而后者却认为时间只是我们主观感受产生的错觉。这种分歧成为了统一量子力学和广义相对论的主要障碍，而统一的量力引力理论将能解释从原子到行星的宇宙万物。

　　量子力学的实验给了埃利斯信心，他坚信时间是真实存在的，而爱因斯坦的单一块宇宙理论存在错误。“一些物理学家认为未来已经在今天已经确定，但我认为他们还没有认真地考虑量子不确定性，”埃利斯说，“对我来说，量子不确定性意味着未来的事在它真的发生以前都还是未知数。”

　　他认为在他的块宇宙延伸理论中，不确定的未来通过一系列微小的量子事件逐渐凝结为确定的过去。在每个事件中，粒子经过自身内部矛盾力量的斗争，从开始的不确定量子状态转化为一个明确的状态。随着邻近的粒子都经历了这一过程，确定性的波浪将开放的未来变为已定的过去。

　　未来之路

　　埃利斯也许已经构建了一个将时间重新放回物理学的框架理论，但要说服他的同行们还很困难。牛津大学客座教授朱利安?巴伯很钦佩埃利斯，但他始终认为“时间”应该彻底从物理学的领域中剔除出去。他认为，有些东西感觉起来很自然，但并不意味着它就是对真实世界的准确描述。

　　巴伯说：“这让我想到当年伽利略试着说服亚里士多德主义者地球是绕着太阳转的。”直觉告诉我们脚下的这个星球坚实又平静，虽然伽利略的想法与直觉相悖，但他终究是对的。巴伯相信，我们在时间的流逝中运动的想法，有一天也会像地心说那样成为一种古老的观念。

　　加州大学圣地亚哥分校的物理学博士克雷格?卡伦德（Craig Callender）也能感受到埃利斯的沮丧：“物理学家们一直在嘲笑我们的时间体验，认为那只是幻觉，是一种过时的想法。但即使这是幻觉，那也是最令人信服的一种”。块宇宙延伸理论可能是对的，卡伦德说，但在埃利斯能够说服大部分同行之前，他还需要对量子过程有更严格的解释，在实验中这一过程通常只影响亚原子物体，它如何层叠推进以致对整个宇宙产生影响。



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　　另一种反对意见认为人的观测能够让粒子的叠加态收缩为确定状态，但宇宙中存在大片人类无法观测到的区域，又由谁来提供这种观测过程？埃利斯则反驳道，量子坍缩并不一定需要一个有意识的观测者，粒子每次发生碰撞，也能撞破它们的不确定状态。这种观点被称为退相干（decoherence），已被物理学家普遍接受。

　　埃利斯说：“在我看来，量子坍缩无时无刻、无处不在地发生”。他指向一颗洒满阳光的树，补充道：“每当一粒光子照射到一片树叶，这颗粒子的量子不确定性就会坍缩。”

　　埃利斯承认他的想法还只是推测。“我不会说我的想法牢不可破，”他承认道，“但我认为在我的理论框架中，每件事都能讲得通。”

　　并且他还认为证明的责任不在他，而在于那些宣称时间只是幻觉的人们。埃利斯说，毕竟，他的模型不仅仅通过量子实验让时间看起来真实，而且也符合我们的一般感觉，“这个实验我们每个人，每时每刻都在进行。”生活本身就是一个得以支持他的理论的实验。

　　作者：泽亚?梅拉利（Zeeya Merali）

　　翻译：林志鹏

　　原文链接：http://discovermagazine.com/2015/june/18-tomorrow-never-was