時間的本質(一):在量子世界,時間有意義嗎?

「空間、時間和物質,是人類認識的錯覺」。---愛因斯坦

時間,是我們都很熟悉的概念。我們的生活和工作都離不開時間。如果沒有統一的時間,世界將一片混亂。所以全球設定了世界統一時間或世界標準時間。

時間,也是描述世界萬物運行規律所不可缺少的物理量。廣義相對論是描述宏觀世界運行規律的理論,量子力學是描述微觀世界運行規律的理論。兩種理論都離不開時間變數。

在宏觀世界,我們可以精確地定義和測量時間。但是在量子世界,在普朗克尺度上,時間這個概念卻遭遇了危機。

在量子世界,存在海森堡「不確定性原理」所總結的不確定行為。也即當我們精確地測定某物的位置時,我們將無法同時準確地測定其速度。不過,所有類似的不確定現象都發生在一個確定的環境,也即空間和時間是確定的。所以,在量子世界,我們也需要能準確測定時間的裝置。

物理學家希望能找到一種適用於量子引力領域的時鐘,但至今卻始終未能成功。一種方法是藉助數學工具試著尋找一種亞原子版本的牛頓鍾,或者說是量子計時器。他假設的時鐘將作為不可或缺的部分,被置於量子引力發生作用的微小、密集的系統中。但問題是這種時鐘會隨系統的變化而變化。另一種方法是嘗試利用這種空間的幾何特性來作為量子時鐘。由於宇宙是不斷膨脹的,就像一個不斷膨脹的氣球,一開始其表面彎曲得非常厲害,隨著氣球越來越大,其表面的曲率變得越來越小。因此這一變化著的空間幾何特性能夠確定特定瞬間的時間。但是,無論是上述的兩種方法,還是其他方法,各類時鐘針對同一系統得出的量子表述和預測都是不同的。因而目前還未找到適用於量子引力領域的時鐘

另外,在普朗克長度這個無限小的尺度內,時空曲率變得跳躍且不連續,時間和空間都是離散化的,所有可能的空間扭曲和時間扭曲交織在一起形成一種複合體,或者說是『泡沫』」。 這種「不確定性泡沫」時隱時現,這意味著在最小尺度上,時間很難確定。

既然量子世界的時間確定不了,就很難將廣義相對論與量子力學統一起來。於是,理論物理學家又嘗試修正量子力學中最基本的方程,找出不需要時間的量子引力理論。

量子力學中的最基本的方程是薛定諤方程。它描述微觀粒子的狀態隨時間變化的規律,表明粒子以概率的方式出現,具有不確定性。

有些物理學家想出了一種剔除時間變數的辦法,他們計算了一顆微粒在某一具體的時間斷面上由A點運動到B點的無數種可以令人信服的路徑,而不論其可能性多麼小。各種可能路徑之間的相互作用,就像波的干涉一樣。當空中兩束波「相遇」時,它們也許會疊加為一束新的、能量更強的波(相長干涉),也許會完全抵消(相消干涉)。最後將這些可能的路徑統合起來,就會浮現出一條具體的路徑。而在這個過程中,不需要時間變數的參與。

他們認為,時間可能是更接近於溫度、壓力這樣的物理屬性。針對單個粒子或原子考慮時壓力沒有意義,壓力只有在對上萬億的原子討論時才存在。時間概念或許恰恰符合這一統計學特徵,也就是說,現實世界就像電視的畫面,是由百萬個像素組成的。光看幾個像素,我們無從知道畫面具體是什麼東西。不過,目前這種理論還缺乏實驗數據的驗證。

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