時間的秩序從何而來

苗千

意大利著名物理學(xué)家卡洛·羅威利（Carlo Rovelli）并不是一個醉心書齋、不問世事的傳統(tǒng)意義上的理論物理學(xué)家，他不僅在物理學(xué)領(lǐng)域獨樹一幟，也對科學(xué)史和科學(xué)哲學(xué)領(lǐng)域頗有研究，還與媒體關(guān)系密切。羅威利教授近年來著作頗豐，除了一些高深抽象的純理論著作之外，還有一些完全面向大眾，幾乎不涉及專業(yè)知識，幾乎不羅列任何數(shù)學(xué)公式的“科普著作”。

過去幾年里，除了幾本有關(guān)科學(xué)史的書之外，卡洛·羅威利教授還出版過《真實與看起來的有所不同》（Reality Is Not What It Seems）、《七堂極簡物理課》（Seven Brief Lessons on Physics）等完全面對大眾講述的物理學(xué)書籍。2017年，他出版了新作《時間的秩序》（The Order of Time），繼續(xù)用通俗、流暢，并且極具個人風(fēng)格的富有詩意的語言描述每一個人關(guān)于宇宙所能問出的最基本、也最深刻的問題：時間是什么？存在又是什么？

兩種風(fēng)格的“科普書”

物理學(xué)家直接面對大眾進(jìn)行講述，這種方式雖然看起來直接，但是考慮到大多數(shù)讀者的學(xué)術(shù)水平和接受程度，作者有時就不得不改變自己慣常的表達(dá)方式，這對于作者來說，往往是一個極大的挑戰(zhàn)。正是出于這個原因，近年來科學(xué)家們所出版的“科普書”漸漸有了兩極分化的趨勢。有些書籍幾乎與專業(yè)書沒有區(qū)別，讓普通讀者讀來如同天書。例如牛津大學(xué)著名數(shù)學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）的名著《接近真實：宇宙法則導(dǎo)引》（The Road to Reality：A Complete Guide to the Laws of the Universe），全書超過1000頁，全書公式密布，足以令大多數(shù)讀者望而卻步。而另一類，則幾乎完全拋棄了公式和術(shù)語，以白話的形式讓大眾更能接受。

以知名度來說，簡單明了的科普著作非霍金教授的《時間簡史》（A Brief History of Time）莫屬，但是據(jù)說此書的初稿同樣艱深晦澀。它出版后語言簡單流暢，幾乎沒有讓人望而卻步的數(shù)學(xué)公式，實際上是編輯與霍金共同努力的結(jié)果。

意大利著名物理學(xué)家卡洛·羅威利

相比之下，羅威利本人更像是一個文藝復(fù)興時期的意大利科學(xué)家，不僅精于物理學(xué)研究，又涉獵廣泛，精于文字，富有詩意，這讓他所出版的一系列科普書的文字風(fēng)格都極為獨特，書中通俗流暢的文字風(fēng)格并不是他勉強遷就讀者，而是發(fā)自內(nèi)心。

《時間的秩序》延續(xù)了羅威利的風(fēng)格，開篇就直指全書唯一的主題，也是作者多年來進(jìn)行學(xué)術(shù)研究的核心問題：時間是什么？這顯然是一個容易越說越讓人糊涂的問題。正如本書的標(biāo)題“時間的秩序”，所謂秩序，本來就是依照時間的先后順序所確定，也就是說任何事情只要發(fā)生，自然也就帶有一個時間的印記——想要確定事物的秩序，只需查看蓋在其上的時間烙印即可——可是時間自身的秩序又是從何而言？從書名起，作者就試圖擾亂讀者的日常認(rèn)知，甚至挑戰(zhàn)語言邏輯，因為時間的本質(zhì)確實與人們的日常感受相差太多。

人類探尋時間之旅

時間的存在被視為理所當(dāng)然，這讓人類認(rèn)識時間的本質(zhì)尤為困難。即便如此，從文明的開端，人類就開始探尋時間的本質(zhì)。在東方神秘主義哲學(xué)中，印度教以濕婆的舞蹈象征宇宙的運轉(zhuǎn)和時間的運行;以邏輯學(xué)為基礎(chǔ)的西方哲學(xué)家以另一種方式探討時間的本質(zhì)，古希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為，時間就是變化的量度。如果沒有變化，自然就沒有時間可言。也就是說，在“任何東西都沒有”的“地方”，時間的概念根本就不存在。

自亞里士多德以后，哲學(xué)家們對于時間本質(zhì)的研究和辯論大多局限于形而上學(xué)的領(lǐng)域而難以拿出真憑實據(jù)。而真正對時間進(jìn)行精確定義，還要等到大科學(xué)家牛頓的橫空出世。正是牛頓幾乎憑著一己之力建立起輝煌的經(jīng)典力學(xué)體系，讓物理學(xué)成為一門精密的學(xué)科，而“絕對時間”和“絕對空間”的概念，正是整個牛頓力學(xué)體系的基礎(chǔ)。

在牛頓看來，時間是絕對的、真實的、數(shù)學(xué)的。這種絕對意義的時間無法被感知，只能被推導(dǎo)、觀察和計算。這種宗教意味濃烈的時間實際上只是牛頓個人智力的產(chǎn)物，但是對于當(dāng)代大多數(shù)人來說，這樣的概念似乎是天經(jīng)地義的。

羅威利提醒人們，這樣的概念絕非自然，更不是人類“自古以來”就擁有的想法，只是因為牛頓力學(xué)的輝煌成功，才使“絕對時間”的概念深入人心。即使是在牛頓的同時代，不同意這種觀點的也大有人在，例如物理學(xué)家萊布尼茲就認(rèn)為，時間只是事物的順序。

時間之謎一直都是人類最大的迷惑，也一直都是物理學(xué)的核心問題。究竟什么是時間的流逝？究竟是人存在于時間之中，還是時間存在于我們自身？人類所面臨的一切問題，最終都可以歸結(jié)為對于時間的疑問：人類意識的本質(zhì)，宇宙的起源，黑洞的命運……而這些問題的核心，依然是人類對于時間的無知。作為一個物理學(xué)家，羅威利將人類幾千年來對于時間本質(zhì)的各種思辨，簡化為亞里士多德與牛頓之爭，也就是時間的相對性與絕對性之爭。

人類對于時間的認(rèn)識進(jìn)一步加深，源于愛因斯坦。他在26歲和36歲分別發(fā)表的狹義和廣義相對論，揭示了時間的彈性。在狹義相對論中，所謂“鐘慢尺縮”效應(yīng)，揭示了時間的流逝速度與物體的運動速度有關(guān);而在廣義相對論中，時空成為了一個整體，它的性質(zhì)與質(zhì)量息息相關(guān)。空間不再是一個空蕩蕩的盒子，時間也不是遍布宇宙的鐘表走針，時空的性質(zhì)取決于質(zhì)量對于時空的影響。

時間可以被拉伸，也可以被扭曲。人類認(rèn)識到了時間的奇妙性質(zhì)。但是，時間究竟是什么？根據(jù)廣義相對論，在山頂上的時間過得更快，而質(zhì)量的存在則讓他周圍的時間流逝減慢。根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)更傾向于掉入時間流逝更緩慢的區(qū)域，這也正是引力的本質(zhì)。從這個角度來說，并不存在遍布宇宙的“絕對時間”，時間具有其相對性。中標(biāo)所顯示的時間t，是它測量自身“本征時間”（Proper Time）的流逝而得到的一個數(shù)字，標(biāo)志著在它附近的事情發(fā)生的順序。也就是說“同時”的概念并不存在，或者說并不嚴(yán)密。地球上的人類討論在數(shù)光年之外的星系中“此時此刻”正在發(fā)生什么事情毫無意義，因為每個人相對的時間流逝不同，“同時”的概念只是在距離相近、運動速度也接近的區(qū)域內(nèi)才有意義。羅威利詩意地描述道，討論“現(xiàn)在”并無意義，所謂貫穿宇宙的“現(xiàn)在”只是一種幻覺，就如同我們能夠看到彩虹絢爛的顏色，但如果我們真的去追逐彩虹，會發(fā)現(xiàn)那里并不存在各種繽紛的顏色。

問題依然存在。人類意識到了時間的相對性，但是對于時間的本質(zhì)似乎仍然沒有了解。時間的洪流難道不是真實存在的嗎？事物的變遷，人的出生和死亡，乃至星系的發(fā)展，難道不正顯示出了時間的流逝嗎？在其相對性之外，這種永恒的時間洪流究竟來自何處？每個人都意識到，時間并不是一條線，而是一個具有明確方向的箭頭。正是因為有了時間之箭，人類才能夠區(qū)分過去、現(xiàn)在和未來，能夠區(qū)分原因和結(jié)果、記憶和希望。時間這種不容人違背的方向性來自何處？

時間之箭，是關(guān)于時間最大的謎團(tuán)。第一個解開“時間之箭”之謎的，是奧地利物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）。玻爾茲曼認(rèn)識到，時間之箭正是熱量的箭頭。熱量的流動，造成宇宙整體的混亂程度不斷增加，而衡量宇宙混亂程度的“熵”值也就不可避免地只能增大，不可能減小，這正是時間所流動的方向。也正是這種熱力學(xué)上的區(qū)別，讓過去有別于未來。熱量流動的痕跡讓人的大腦中只能記得過去而非未來，也注定了宇宙的未來只能歸于死寂。

時間自身具有相對性，時間與空間的結(jié)合，性質(zhì)又會被質(zhì)量所影響，時間之箭其來有自，看上去通過物理學(xué)的發(fā)展，人類已經(jīng)完全認(rèn)識了時間的本質(zhì)。但是在這本《時間的秩序》中，羅威利想要對讀者講述的內(nèi)容還不止于此。作者寫道，熵值的增加，說明了整體無序性的增加，也就代表了時間的流動，但這也只是轉(zhuǎn)移了問題，以無序性代替了時間箭頭。

為什么我們的宇宙起源于低熵狀態(tài)，又要終結(jié)于高熵的狀態(tài)？這取決于在宏觀上，人類無法分辨的宇宙狀態(tài)的多少。事物的有序性越高，熵值也就越低;而事物越混亂，人們就越無法分辨不同狀態(tài)之間的差別，熵值也就增高。問題在于，這種宏觀狀態(tài)的描述，在微觀領(lǐng)域并不存在，也就是說，在微觀領(lǐng)域時間的箭頭消失了。時間失去了方向，因果也就沒有差別，過去與未來之間也沒有了分別，時間也就無所謂流逝與否。

消失的“時間之箭”

在《愛麗絲夢游仙境》中，愛麗絲問道：“永遠(yuǎn)是多長時間？”如果談?wù)摗艾F(xiàn)在”沒有意義，在微觀領(lǐng)域“時間”的概念也并不存在，那么“存在”又有什么意義？要真正探究時間和存在的本質(zhì)，人們還需要深入到微觀領(lǐng)域繼續(xù)探索。物理學(xué)家們需要從量子力學(xué)和相對論出發(fā)，從20世紀(jì)進(jìn)入到21世紀(jì)的物理學(xué)最前沿。

相對論與量子力學(xué)的結(jié)合是當(dāng)代物理學(xué)研究最為艱難、也是最為重要的問題。把引力量子化，得出一個融洽的量子引力理論，將可能解釋人類所觀測到的所有物理現(xiàn)象，也可能為“時間”與“存在”賦予更加深刻的意義。人類雖然尚未看到這一“終極理論”出現(xiàn)的曙光，但目前，全世界在這個領(lǐng)域工作的理論物理學(xué)家們大體上分成了兩派，其中占據(jù)主流地位的是所謂的“弦論”（String Theory）。所謂弦論，大體而言，是將量子力學(xué)和相對論應(yīng)用到極小的時空領(lǐng)域，時空的形態(tài)也就發(fā)生了變化。時空不再是宏觀領(lǐng)域中連續(xù)平滑的形態(tài)，而是化為各式各樣在不斷振動的弦。

與之相對的，還有另外一派理論物理學(xué)家，他們將最初用于描述宏觀狀態(tài)的廣義相對論應(yīng)用于極小的時空領(lǐng)域，從而得出了時空另一種完全不同的形態(tài)。這一派物理學(xué)家所使用的理論被稱為“圈量子引力”（Loop Quantum Gravity）理論——本書的作者羅威利正是圈量子引力理論的創(chuàng)始人之一。

提出問題比解決問題更重要。羅威利并未把這本面向大眾讀者的書當(dāng)作宣揚自己研究理論的工具，而是誠實地向讀者們介紹物理學(xué)在探索前沿問題時所遇到的阻礙。在理解微觀領(lǐng)域的“本質(zhì)問題”時，物理學(xué)理論之間也存在著本質(zhì)分歧。愛因斯坦眼中的時空具有彈性，是連續(xù)、光滑的實體，而從量子力學(xué)的角度看待時空，在微觀領(lǐng)域它又不可能保持在宏觀領(lǐng)域的連續(xù)狀態(tài)。所謂的“一段時間”，并不連續(xù)，而是跳躍前進(jìn)，也就是說，存在著最小的時間間隔。在微觀領(lǐng)域，物理學(xué)家需要對時空本身進(jìn)行“量子化”，所謂連續(xù)的時空，只是一種對于真正的時空進(jìn)行模擬的數(shù)學(xué)手段而已。

在羅威利所描述的量子世界里，時間不再是連續(xù)的一塊帆布。在量子世界中的時間不再具有單一的方向性，它可以跳躍、波動和量子化……時空的量子性，還在于其自身具有不確定性，只有在發(fā)生相互作用時才會顯示出確定的數(shù)值。那么，時間是不是宇宙最本質(zhì)的屬性？如果沒有了時間，是不是一切存在也都失去了意義？羅威利解釋并非如此。因為宇宙的本質(zhì)并不在于永遠(yuǎn)不發(fā)生變化的“物體”，而是在于不斷變化的“事件”，宇宙因為變化而存在著。羅威利相信，時間是變化的量度，但是即使沒有時間，物理學(xué)也依然會存在，變化依然會發(fā)生。1967年，第一個沒有時間的量子引力學(xué)公式惠勒-戴維特方程（Wheeler-Dewitt Equation）出現(xiàn)，它不以時間為量度，而是描述事物之間的相對變化。

如果沒有了時間，人們所談?wù)摰倪^去、現(xiàn)在和未來自然也都失去了意義。人們?nèi)粘Ｋ懻摰摹罢鎸崱焙汀按嬖凇彼坪跻捕际チ艘饬x。時間究竟是什么？人們?nèi)匀粫肫饜垡蛩固乖诘磕钭约旱膿从沿愃鲿r的發(fā)言：“現(xiàn)在，他又比我先行一步，離開了這個奇怪的世界。但這并不意味著什么。對于我們篤信物理學(xué)的人來說，過去、現(xiàn)在和未來之間的區(qū)別不過是一種幻覺而已，盡管這種幻覺有時還很頑固?！?/p>

時間究竟是一種頑固的幻覺，還是一種“真實的存在”，它怎樣影響著人們對于宇宙的感知？這個問題還沒有答案。而羅威利帶領(lǐng)著讀者領(lǐng)略了人類探索時間之謎的歷程之后，在全書的結(jié)尾處，他充滿激情和詩意地寫道：“人是其自身的歷史。我們就是時間的流逝?！薄苍S我們所探索的時間之謎，就是我們自己。