時間之迷

--------------------------------------------------------------------------------地球是不能信賴的時鐘必須承認，把地球作為測量時間的儀器是不可靠。20世紀初，天文學家就覺察到這個問題，但出於天文觀測的需要，採用了「曆書時」的概念，於1960年起作為世界各國的基本時間計量系統。曆書時從1900年1月0日12時開始計算，定義一秒鐘為那一年太陽由相對較遠恆星回到起點的一個回歸年的1/31556925.97474。其實，太陽也是個有爭議的時鐘，因為當地球更加接近太陽時，太陽相對背景恆星的視在運動加快，這就是產生「"平均太陽時」想法的原因，是通過虛擬的太陽設定出來的。虛擬太陽的視在運動是以勻速沿地球赤道線運行的。這樣就決定稱它為「民用時」，即平均太陽時一天的長度。但這對天文學家來說還不夠，他們使用的是「恆星日」，即地球相對於遙遠恆星自轉一周所需的時間。所有這一切都是關於時間的測量。然而幾個世紀前科學家就開始提問，時間是否與宇宙的物質有聯繫，它本身是不是一個單獨的實體。這種想法刺激了艾薩克·牛頓，他問道：「如果所有時鐘消失了，之後所有物質也消失了，在空間什麼也沒有留下，既無地球也無太陽，連最小的粒子也沒有了，那時還有時間嗎？」而他的回答是：「『絕對時』本身是真實的、數學的，就其性質講它與外界事物無關地、均勻地流逝；『相對時』是一個表面的、通俗的量度(精確或不精確)，一般用來代替絕對時間的量度，這就是時、日月、年。」在經典力學中，需要絕對時間和絕對空間一起來確定物體的位置和速度。時間沒有起點，但它一直存在時間沒有開始也沒有終結嗎?在宇宙事件的流逝中從來就沒有一個起點？這些事件中的一部分已經被證實，另一部分僅僅是理論物理學家的假設。這些事件也不會有終結嗎？愛因斯坦在科學界發起的革命開始與牛頓創立的曾為科學界廣泛使用的「絕對時間」和「絕對空間」的概念分道揚鑣了，這場革命更確切地說是對於宇宙命運的一種新見解——如果宇宙繼續無限地膨脹下去(開放的宇宙)，那麼時間將永遠不會終結；相反，如果宇宙在某個時候停止了膨脹，開始發生逆轉，越來越收縮(封閉宇宙)，直至回到什麼也沒有的狀態，那麼時間也就不復存在了。但時間是從什麼時候開始的呢?根據最新的假設，在大爆炸前已經存在許多小宇宙，它們從「無」這種物態開始形成和消失，在這種物態中既無時間、空間，也無物質。由於有了稱為波動的量子現象才使這些宇宙得以形成。我們的宇宙也許不會消失，因為它還剛剛誕生，由於擴張得特別快和特彆強勁，故取名為膨脹 (或日宇宙超級擴張)，它或許是在無節制地長大之後才發生了大爆炸。因此時間或許應先於大爆炸，它的起點或許應追溯到從無到膨脹的過渡期內。諾貝爾化學獎獲得者伊利亞·普里戈金（Ilya Prigogine）還談到：「一個潛在時間，它總是處於休眠狀態，並不要求波動現象喚醒它而變為現實。從這個意義上講，時間不與我們的宇宙同時產生，而是早就存在的。」光很美，因為它不變化在1907年，物理學家艾伯特·邁克耳孫(Albert Michelson，1852——1931)因為「光速的準確測定」而幸運地成為第一個獲得諾貝爾獎的美國人，隨後愛因斯坦在向他致賀時說道：「通過您傑出的實驗工作，您已經為相對論理論的發展開闢了道路……」他究竟做了什麼大事呢？從1887年起，他與他的同事愛德華·莫雷「簡單地」證實了光速是永遠不變的，即使由一個物體在運動中「發射」的光，其速度也是不變的。當時人們的意識還停留在絕對空間和絕對時間的概念上，在此基礎上，當追蹤某種速度的光線時，人們看到光線行進得應該慢一些。就像我們在生活中所見到的那樣，如果我們坐汽車旅行，時速100公里，並追蹤在同一方向以時速200公里行駛的火車，就會感到火車的時速好像僅為100公里。在邁克耳孫和莫雷實驗的推動下，愛因斯坦開始修正時間的概念，開導致他於1905年提出狹義相對論的理論。一方面是光速的不變性，另一方面有距離的作用：事實上，這兩個同時發生的事件，對於兩個處在不同位置的觀察者來說，感覺它們是在不同時間發生的。這就是為什麼光傳遞的信息需用一定的時間才能到達目的地。為了弄清這一概念，我們同以設想兩個宇航員，一個在空間站，另一個在附近的行星上，他們仔細觀看由空間站中心點發出的光，不管這種光的方向是與空間站運動的方向一致，還是相反，空間站的宇航員可以同時看到光的前部和後部，而在行星上的宇航員則是先看到後部的光，然後才看到從發射點向前離去的前部的光。時間過得越快，人老得越慢隨著狹義相對論中達到頂點的有關時間理論的革命，時間向我們表現出另一種驚人的面貌，即所謂「時間膨脹」，它違背普通常識，但去被不同的實驗所證實。時間的流逝根據觀察者是靜止還是運動狀態以及運動的速度而定，用簡單的話來說，就是一個跑著的人的時間流逝得慢，他跑得越快，其時間放慢得越明顯。愛因斯坦本人也對這個論題提出著名的「雙生子佯謬」，我們把它概括如下：兩個孿生兄弟在宇宙飛船發射場相互離別，一個留在地球上，另一個上了以光速的80%的速度飛行的宇宙飛船。過了50年，留在地球上的兄弟去迎接航天兄弟的歸來，人們會發現航天兄弟的面孔更年輕，事實上他只過了30年。這種現象在日常生活中並不明顯，因為對乘坐時速為1000公里的噴氣機的旅行者來說，每秒只減慢萬億分之一秒，因此他大約要旅行3萬年才能積累下減慢的一秒。對乘坐時速1萬公里的運載工具一一太空梭的宇航員來說，這並不是長壽航程，因為每秒只減慢百億分之一秒。不管怎樣，科技進步使人們可以證實時間的減慢，人們用兩個超精密度相同的原子鐘進行實驗，一個放在陸地上，一個放在時速超過3000公里的軍用飛機或空間探測器上。實驗證實了這樣的假設：旅行過的鐘比另一個鍾走得慢。1916年，愛因斯坦擴充了相對論原理，把地球引力置於其理論的中心。從而對時間得出了驚人的結論：引力場對自然鍾起減慢作用，類似我們前面所說的由運動產生的減慢。這就是說，不管在哪裡，只要有強引力張力的存在，時間的消逝就會減慢：地球上的這種減慢相當於每秒減慢十億分之一秒。時間停住了使時間流逝減慢的引力現象在黑洞面前產生了極端的結論。黑洞這種所謂的「空中強盜」其實不過是比太陽至少大3倍的大質量的恆星演化的最後階段，由於發生引力坍縮而縮小到極小的程度，形成理論上稱為「奇點」的孤立點。如果說時間的減慢取決於光速的減慢，而光速的減慢又與引力引起的物體墜落速度有關的話，那麼我們就導出了一個極端的結論：當一個物體墜落速度與光速抵消時，時間就會無限地放慢；當一個物體越接近吸引和吞沒它的質量很大的黑洞時，射向外部的光的速度就越慢，光到達遠處觀察點所用的時間也就越長。如果我們能夠觀察一個人被黑洞吞沒的過程的話，我們就會看到，他在接近黑洞表面時速度十分緩慢，就好像停留在那裡猶豫不決，永遠也到不了目的地。但從這個可憐的、凶多吉少的人的視點來看，墜落只是一瞬間的事。在黑洞附近，時間過得特別慢，而在坍縮恆星的表面一一 「視界」上，時間就停住了。黑洞的內部呢？引力仍然極強，強到能阻止光的逃逸，對其他物體更不必說了，因為不存在比光速快的物體。所有掉進去的東西被留住並在一個狹小的空間內消失，這個空間被命名為：「奇點」。在奇點裡，物質可能消失或變成認不出來的樣子，在那裡也不存在空間和時間。特別對在黑洞外部觀察的人來說，內部時間顯確顯示出同外部時間是分開的，這種區分發生在視界時間停住的時刻。但是，在深入揭開奇點深奧的謎團之前，發生了科學家們稱為「時空倒置」的謎。讓我們來看一下。在黑洞外面，空間可向任何方向擴張，相反，時間只能走向未來。而在黑洞內部，空間只能走向中央奇點。明天、今天、昨天時間向哪個方向走？這個提問把問題搞複雜了。例如我們問，為什麼時間總好像從過去向未來流逝。人們不知道這種進程是物理現實的客觀情況還是一種頭腦中的構思。這是一些2000多年前就提出過的問題，但在上世紀對不可逆轉現象(即不可能發生相反的現象)的研究，才科學地說明了這些問題。熱能就是一個例子，溫度高的物體上的能量自然地傳遞到溫度低的物體上，但不能倒過來。如果我們在裝烈酒的杯子里放些冰塊，較熱的烈酒把它的熱能傳遞給冰塊，冰塊融化直到杯子里的東西達到相同的溫度。相反，冰塊不可能把熱能傳遞給烈酒，使冰塊更冷而烈酒更熱。由於熱是能量，在這類現象中能量是遞降的，利用價值會變得越來越小。例如，當我們剎車時車的動能轉換成熱(制動器變熱)，但不能發生相反的情況：即使加熱制動器，也不可能風到汽車會自行開起來。這些定律證實某些自然現象的不可逆轉性，並用一個叫「時間之箭」的示意詞指明時間的精確方向。而另一些物理現象是可以逆轉的，例如液體可以變成固體，如果改變溫度又可以回到液體。如何解釋既存在著可逆轉現象(其中時間似乎可前進和後退)又存在著不可逆轉現象 (其中時間只能從過去走向未來)的這種共處局面呢？奧地利物理學家路德維格·波爾茲曼（Ludwig Boltzmann，1844——1906）假設，在無限小世界中發生的過程 （這些過程與單個分子運動有關）全部可以逆轉；相反，含有大量分子的宏觀世界的過程都是不可逆轉的。那麼，為什麼只有後者的這些過程存在時間之箭呢？據大多數科學的看法，決定性的原因是宇宙的膨脹，這一點我們在前面已經談到了。然而人們不知道這種膨脹會一直繼續下去，還是會倒轉來發生宇宙回縮，從而將時間拉向後退。出發之前就到達了在影片《回到本來》中的時光穿梭機是有趣的幻想。費曼的物質——反物質機器是值得稱讚的，但對我們來說這種機器實在太小了。然而許多科學家深信在宇宙的不同點上存在時間機器。美國圖蘭大學的弗蘭克·蒂普勒早在1974年的《物理學雜誌》上發表了關於宇宙中有時間機器的首篇作品。這就是所謂「時空隧道」，即蟲洞(Wormholes)，一種恆星的出入口。當時空結構發生變化時，時空隧道就會把處於不同空間和時間的兩個黑洞瞬間連接起來。根據英國天體物理學家約翰 ·格里賓(John Gribbin)的看法，這些宇宙時間機器可以被拖拉在一起，一個靠近另一個，而兩個機器之間的年代差可以保持不變。格里賓說，假定有一個隧道能把兩個黑洞聯繫起來，兩個黑洞之間的時差僅為1小時，它們之間的距離只用10分鐘就可到達，那麼一個宇航員於12時從第一個黑洞出發，12時10分抵達第二個黑洞的入口處，但實際上第二個黑洞那時還是11時10分。那麼宇航員進入第一個黑洞和瞬間鑽出第一個黑洞時間都是11時10分，就是說出他出發時早了50分鐘。另一種宇宙時間機器是一種與黑洞性質有關的現象。物理學家尤其主張，沒有東西可阻止稱為「裸露」的黑洞存在，在這種黑洞中，光可從其中逃逸。在這種情況下，在黑洞內部由於時間可向後移動，從理論上講，我們可從逃逸的光得到有關黑洞反方向活動現象的信息：首先「我們將看到」它的結束，之後才是它的開始。這種設想並不像感覺的那樣奇異，因為某些天體物理學家深信這些宇宙時間機器是存在的。它們的存在可以從觀察宇宙中得到證實。例如，如果按反方向觀察一個恆星的爆炸，那麼就會做出它的光是經過一部宇宙時間機器傳遞的解釋。對我們來說，這類系統作為返回過去和走向來的交通工具是無法使用的，但作為類似「電視」的效應，它能使我們看到發生事情之前發生的事和發生事情之後將要發生的事。