時間是幻覺 (上) 文字取材: 克雷格.卡倫德 (Craig Callender)

有關時間和改變的觀念，或許是從一個根本上完全靜態的宇宙中湧現出來的。   在讀這句話的時候，你大概會認為此時此刻 - 也就是『現在』 - 正在發生。『現在』給人的感覺很特別，只有它才是『現實』的。不論你如何留戀過去，如何憧憬未來，都只能生活在『現在』。當然，你讀那句話的時刻已經不是『現在』了。這句才是。換句話說，時間給人的感覺是不斷流淌，因為 『現在』總是一刻不停地『刷新』著自己。

我們有一種深入骨髓的直覺，認為『未來』尚未確定，而『過去』不可更改。隨著時間的流淌，這列由不可更改的『過去』，轉瞬即逝的『現在』和尚未確定的『未來』構成的『列車』不斷前行。這一時間觀念植根於我們的語言、思維和行為當中，我們的生活方式全都有賴於此。 儘管這種思維方式非常自然，我們却找不到任何科學依據支持這一觀念。物理學方程並沒有告訴我們那些事件是『現在』正在發生的 - 那些方程就像一張地圖，却沒有『你在此處』的標籤。『現在』並不存在於物理學方程之中，時間的流淌也是如此。  

另外，愛因斯坦的相對論指出，一個特殊的『現在』根本就不存在，所有時刻都是平等的，都同等『現實』。從根本上說，『未來』的尚未確定之處並不比『過去』更多。   時間的科學理解和日常感受之間的這毫道裂縫，困擾著一代又一代思想家。隨著物理學家將我們通常歸結為時間的大多數特徵一條一條從時間中剝離出來，這道裂縫已被拉得越來越大。如今，物理學裡的時間和我們感受到的時間之間已經橫躺著一條鴻溝，一個合乎邏輯的結論呼之欲出 - 理論物理學界有許多人開始相信，時間根本就不存在。

一個不存在時間的現實世界，這個概念乍聽起來令人大吃一驚，因為很難想像它如何能夠自圓其說。我們所做的每一件事，都是在時間中做到的。這個世界就是一系列事件通過時間串連而成的鏈條。任何人都能看到人的頭髮在逐漸變白，各種物體在到處移動......我們能看見種種改變，而改變正是某些屬性相對於時間而發生的變化。沒有了時間，世界就應該完全靜止。主張時間不存在的理論面臨的一大挑戰就是: 如果這個世界上實際上並沒有在發生變化，我們又如何能夠看到改變?

最新研究試圖要解釋的，正是這一點。儘管時間在基本層面上或許並不存在，但它可以在更高層面上產生出來 - 就像桌子觸摸起來是堅硬的一樣，那怕它本質上只是一大堆內部幾乎空無一物的粒子。『堅硬』是粒子的一個整體屬性 (collection property)，或者說是演生屬性 (emergent property，即那些高層次具有而還原到低層次就不復存在的屬性)。同樣，不管構成這個世界的基本成分是什麼，時間也有可能是它們的一個演生屬性。  

演生時間的概念很有可能帶來一場革命，就像一個世紀以前發展起來的相對論和量子力學一樣。愛因斯坦說過，發展出相對論的關鍵一步就是他對時間的概念重建。在追隨愛因斯坦的夢想 - 統一相對論和量子力學的過程中，物理學家相信時間又一次成為了問題的關鍵。2008 年，基本問題研究所 (Foundational Questions Institute) 以『時間的本質』為題，舉辦了一場論文競賽，吸引了現代物理學界一批響噹噹的大牛參與。他們中有許多人堅信，大統一理論描述將是一個不存在時間的世界；另一些人則不願意除掉時間。不過，有一點是所有人都認同的，不對時間進行更深刻思考的話，在統一道路上想要取得進展多半是不可能的。

時間的起起落落 牛頓的時間超然於萬物之外，擁有許多符合常理的特徵，却在愛因斯坦的攻擊之下支離破碎。   牛頓的時間超然於萬物之外，擁有許多符合常理的特徵，却在愛因斯坦的攻擊之下支離破碎。 與諸多常識相符的傳統時間觀念，長期以來受到一系列降級的打擊。時間在物理學中承擔過許多工作，但隨著物理學的逐步發展，這些工作已經一項接一項被『外包』出去了。

儘管初看起來或許並不明顯，但牛頓運動定律要求時間擁有許多特殊性質。事件發生的先後次序，原則上能被所有觀察者認同。經典物理學假定，不論某一事件發生在何時何地，你都可以客觀地說出它發生在宇宙中任意一個其他事件之前、之後，還是同時。因此，時間為世界上的所有事件提供了一份完整的先後次序。『同時』是絕對的，是一個與觀察者無關的事實。不單如此，時間還必須是連貫的，這樣我們才能定義速度和加速度。

經典的時間還必須有一個衡量時間持續長短的概念，物理學家稱之為度規 (metric)，這樣我們才能說清不同的事件彼此在時間上相差多遠。比方說，奧運會百米短跑冠軍烏塞恩.博爾特 (Usain Bolt) 最快可以跑出 12 米/秒的速度，但要使用這樣的表述方式，我們必須有一個度規來標明一秒鐘有多長。就像事件的先後次序一樣，持續時間也與觀察者無關。如果張三李四都在 3 點鐘離開學校，各走各的，6 點鐘在家碰頭，那麼不論是對張三還是李四來說，這段時間持續的長短都相等。

從本質上來講，牛頓提出，這個世界生來就配備了一個地位超然的母鐘。母鐘以獨一無二的方式，客觀地將世界分割成時間的一個個瞬間。牛頓物理學只遵從母鐘嘀嗒作響的腳步，無視其他時鐘。此外，牛頓還覺得時間在流淌，這種流淌給我們提供了一個箭頭，告訴我們那個方向才是未來 - 不過嚴格說來，他的定律並不要求時間非得具有這些額外特徵不可。  

在今天的我們看來，牛頓的時間觀念或許有些老土，不過只要稍加思索，我們就會為之驚訝。它的許多特徵 - 次序、連貫、持續、同時、流淌，還有箭頭，在邏輯上都可以彼此拆分，然而它們又都有機結合在一起，構成了牛頓稱之為『時間』的母鐘。這些特徵的這種組合方式大獲成功，以至於它被原封不動地傳承了近這兩個世紀之久。

直到 19 世紀末 20 世紀初，對這一時間觀念的攻擊才拉開序幕。打出第一拳的是奧地利物理學家路德維希 直到 19 世紀末 20 世紀初，對這一時間觀念的攻擊才拉開序幕。打出第一拳的是奧地利物理學家路德維希.玻爾茲曼 (Ludwig Boltzmann)。當時他推論說，不論時間是正向還是反向流淌，牛頓定律都同樣適用，因此時間本身並沒有內置一個箭頭。相反，他提出，『過去』和『未來』的差別並不是時間所固有的，而是由宇宙中物質組織過程的不對稱引起的。儘管物理學家至今仍在為這一提議的細節問題爭論不休，玻爾茲曼還是令人信服地從牛頓時間中剔除了一個特徵。

第二輪攻擊則是由愛因斯坦發動的，他廢除了絕對同時的概念。根據他的狹義相對論，事件是否發生在同一時刻，取決於你的速度有多快。發生事件的真正『舞台』既不是時間，也不是空間，而是它們的結合 - 時空 (spacetime)。以不同速度運動的兩個觀察者對同一事件發生在何時何地會有不同的看法，但對於事件所處的時空位置，他們能夠達成共識。時間和空間都不是基本概念，用愛因斯坦當年的大學教授、數學家赫爾曼.閔可夫斯基 (Hermann Minkowski) 的話來說，它們『注定要消散在純粹的陰影之中』。

到了1915 年，愛因斯坦發表廣義相對論，將狹義相對論擴展到了存在引力的環境中，傳統時間的處境就更窘迫了。引力可以扭曲時間，因此這裡流逝的一秒鐘和那裡流逝的一秒鐘並不是一回事。那怕是在理論上，同步時鐘並讓它們保持同步也只有在極少數情況下才有可能做到。你不能再想當然地以為，單單依據一個時間参數就能把這個世界一秒一秒地區分開來。在極端情況下，這個世界或許完全不可能分割成時間的一個個瞬間。如此一來，想要說某一件事件發生在另一事件之前或之後也變得不可能了。

廣義相對論中有許多名字裡帶有『時』字的函數，比如坐標時 (coordinate time)、原時 (proper time)和全局時 (global time)。它們共同承擔起了牛頓『時間』所做的許多工作，但它們之中似乎沒有那個能夠擔當得起『時間』二字。物理學並不聽從這些時鐘的指揮，就算聽從，這些時鐘也只對宇宙中的一小區域有效，或者只對某些特定的觀測者有用。儘管物理學家直到今天才開始為大統一理論必須要消滅『時間』而犯愁，但我們有理由說，『時間』早在 1915 年就已經丟失，但是我們一直沒有充分正視這一點罷了。

時間 = 說書人 時間是時空中最有可能做出準確預言的方向 - 在這個方向上，我們講述的故事包含的信息量最大。   時間是時空中最有可能做出準確預言的方向 - 在這個方向上，我們講述的故事包含的信息量最大。 時間又有什麼好處呢? 你或許巴不得想要相信，時間和空間已經幾乎沒有區別了；在一個由相對論描述的宇宙中，事件發生的真正『舞台』就是一個巨大的四維立方體。相對論似乎把時間給空間化了: 把它變成了四維立方體中平凡無奇的又一個方向。時空就像一大麵包，你可以沿任意方向把它切片，至於這個方向是叫『空間』還是『時間』，幾乎是隨意的。

然而，就算是在廣義相對論中，時間也仍然保留了一項獨特且重要的功能: 在局域中區分『類時』(timelike)和『類空』(spacelike)方向。所謂類時相關的事件，是指相互之間可以存在因果關聯的事件。一個物體或訊號可以從一個事件傳遞到另一個事件，對發生的事情施加影響。相反，類空相關的事件則不存在因果關聯。沒有任何物體或訊號能夠從一個事件傳遞到另一個事件。從數學上講，區區一個符號就把這兩種方向區分開來了，但這個符號有著巨大的影響。觀察者對類空事件發生的先後次序會有不同觀點，但所有人對類時事件發生的先後次序都不會有異議。

如果有一個觀察者發覺，某一事件導致了另一事件的發生，那麼所有觀察者都會認同這一點。 從這個角度來看，每三維切片都是由類空相關事件和類時相關事件構成的奇怪組合。這兩種方法就好像是分別沿橫向或縱向來切分一大塊麵包。 兩年前，在投給基本問題研究所參加論文競賽的那篇文章裡，我探討了時間這一特徵有何意義。設想沿著從過去到未來的方向將時空切成『薄』片；每切片都是某一瞬間的整個三維空間。同一塊切片上的所有事件彼此間都是類空相關的，把所有這些切片加在一起，就構成了四維時空。

另一種方法則是，設想你從『側面』觀察這個世界，再沿相應的方向將時空切片。 第一種方法物理學家比較熟悉，電影觀眾就更是耳熟能詳了。電影中的一幀幀畫面就相對時空的一片片切片，顯示了空間的一連串瞬間。就像電影愛好者能夠立即指出情節並預言接下來會發生什麼一樣，物理學家也可以任取一完整的空間切片，據此重建出其他空間切片上發生的事情，只需要直接運用物理學定律即可。  

第二種切片方法就沒有什麼簡單的例子可以打比方了。它不是沿著從過去到未來的方向來切分時空，而是沿著比方說從東到西的方向來切。這樣的一個切片就好比你家的西牆以及牆上發生過和將要發生的一切。根據這個切片，你運用物理學定律去重現你家的其他地方。聽起來有些奇怪，不是嗎？確實恢應該奇怪。物理學定律能不能讓你做到這一點，並不這麼一目了然。不過加拿大麥克馬斯特大學 (McMaster University) 的數學家沃爾特．克雷格 (Walter Craig) 和加拿大滑鐵盧大學 (University of Waterloo) 的哲學家史蒂文．溫斯坦 (Steven Weinstein) 最近已經證明，你可以做到，至少在一些簡單的情況下可以做到。

儘管兩種切片方法在理論上都是可行的，實際却大相徑庭。在普通的按時間切片的方法中，同一切片上你需要收集的數據很容易獲取。比方說，你要測量所有粒子的速度。一個位置上的粒子速度與另一個位置上的粒子速度是相互獨立的，因此兩個速度你都可以直接測量。但在第二種切分方法中，粒子的性質就不這麼獨立了；它們必定以一種非常獨特的方式被組織起來，否則單憑一塊切片就不足以重建出其他所有切片。

為了收集所需的數據，你還必須對成群的粒子展開極其困難的測量。更糟糕的是，那怕你完成了這些測量，那也只有在某些特殊情況，比如克雷格和溫斯坦發現的那種情況下，你才能夠重建出完整的時空。 用一種非常準確的語言來表述，時間就是時空中最有可能做出準確預言的方向 － 在這個方向上，我們講述的故事包含的訊息量最大。宇宙講述的故事並不是在空間中展開，而是在時間中展開的。

量子時間 量子力學要求有一個地位超然的母鐘。這鐘時間觀念退回到了牛頓時代，與相對論格格不入。   量子力學要求有一個地位超然的母鐘。這鐘時間觀念退回到了牛頓時代，與相對論格格不入。 現代物理學的一個最高目標，就是要統一廣義相對論和量子力學，創造出一種能夠同時處理物質的引力和量子特性的單一理論 － 量子引力論。但統一之路上有一塊絆腳石：量子力學要求，時間必須具備某些跟我剛才所說內容相矛盾的性質。

量子力學稱，物體可以擁有的狀態數量之豐富，遠遠超出了位置和速度之類的經典物理量所能描述的範疇。對一個物體的完整描述，由一個被稱為『量子態』(quantum state) 的數學函數給出。量子態隨時間連續變化。利用這一函數，物理學家就能計算出任意時刻出現任意實驗結果的機率。如果一個裝置會讓電子不是向上就是向下偏轉，量子力學或許無法確切地告訴我們，把某個電子輸入這一裝置之後，它到底會如何偏轉。相反，量子態或許只能給我們提供各個結果出現的機率: 比方說，這個電子有 25% 的可能會向上偏轉，75% 的可能向下偏轉。

由相同量子態描述的兩個系統可能給出不同的結果。這些實驗的結果具有一定的蓋然性。 量子力學的這種蓋然性預測，要求時間具備某些特點。首先，正是時間使相互矛盾的結果得以共存。對於一顆骰子來說，5 點向上和 3 點向上不可能出現在同一時刻。這兩種情況只能在不同的時刻出現。這一特點關聯到這樣一個事實: 骰子的 6 個面各自向上的機率加在一起必須等於 100%，否則機率的概念就會沒有意義。這些機率是在時間中累加的，而非地點。對於量子粒子來說，它出現在特定位置或擁有特定運動量的機率，也同樣遵循這一點。

其次，量子測量的次序不同，結果也會不同。假設我把一個電子輸入一個裝置，使電子先沿竪直方向偏轉，再沿水平方向偏轉。當電子輸出時，我測量它的角動量。接下來，我重複這一實驗，這次是讓電子先水平偏轉再竪宜偏轉，然後再次測量它的角動量。兩次測得的數值會有天壤之別。   第三，量子態提供的是某一瞬間所有空間上的機率。如果這個量子態包含一對粒子，那麼測量一個粒子就會立即影響到另外一個，不論它身在何處 - 由此產生的現象，愛因斯坦稱之為『鬼魅般的超距作用』，曾令他對量子力學困惑不已。

下週待續…… 愛因斯坦的困惑之處在於，為了讓兩個粒子能夠同時作出反應，宇宙必須擁有一個地位超然的母鐘，而這正是已經被相對論徹底顛覆了的概念。 儘管這些問題中有的還存在爭議，量子力學中的時間基本上算是牛頓力學時間觀念的『復辟』。物理學家曾為相對論中時間『丟失』而苦惱，不過更令人頭痛的問題或許應該是量子力學中時間的中心地位。這才是大統一之路走得如此艱難的深層次原因。 下週待續……