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時間是幻象還是真實存在?

數十年前,科學家將量子理論套用到宇宙上,得到的方程式卻不意消滅了時間。時間的流逝究竟是真實存在,還是我們認知的錯覺?施莫林教授提出大膽的見解,認為我們就是時間存在的證明。他畫出的宇宙連環圖是什麼樣的光景呢?

作者/羅伯特‧ 馬修斯(Robert Matthews)  譯者/甘錫安

時間是幻象嗎_圖一

時間掌控我們的生活,每個人都希望擁有更多時間。企業用時間賺取金錢,科學家則能測量到非常準確的時間。今年稍早,美國研究人員發表一款原子鐘,這款鐘倘若在137億年前宇宙誕生時啟動,至今誤差也不超過一秒。

不過, 時間究竟是什麼?儘管我們都很熟悉這個概念,但即使是最偉大的思想家也難以用言語來描述它。一千六百多年以前,哲學家奧古斯丁(Augustine of Hippo)便承認:「如果沒有人問我(時間是什麼),那我知道。但若是有人問起,我解釋不了。」

加拿大的圓周理論物理研究院(Perimeter Institute for Theoretical Physics)專門研究物理學的基礎問題,該研究院的創辦人之一李‧施莫林教授(Lee Smolin)與這項難題纏鬥許久,他表示:「面對科學時,了解時間的本質是最重要的關鍵。」

施莫林投身物理界難題的時間比大多數人更長。他為什麼認為時間的本質如此重要?施莫林說,這是因為若要了解事實,時間是核心的鑰匙。

對大多數人而言,這個看法似乎有點言過其實。無論是大霹靂還是週末烤肉,各種形式的事實都取決於時間,我們不是早該認真看待時間了?科學家難道沒有在幾百年前揭開時間的奧祕嗎?

披荊斬棘追尋萬有定律

科學家的確著手探究了時間的奧祕,只是結論相當驚人。他們主張,根據最成功的物理學理論,時間並不存在。

但現在施莫林有新消息要告訴這些科學家。他認為這些科學家受到根深柢固的想法和晦澀難解的數學誤導,忽視時間是真實存在的。他在頗具爭議的新書《時間重生》(Time Reborn)中表示,堅持這種愚蠢想法很危險,而接受時間是萬象的根基,則前景可期。如果他的說法正確,那麼時間不僅並非無足輕重,而且還是解釋宇宙運行的關鍵,甚至與我們的存在息息相關。

施莫林非常清楚自己挑起了極大的爭議。「科學界視時間為幻象,這點很難對付。」他表示,「這反對時間存在的理論核心,依憑的是我們理解物理定律的方式。」他的意思不是說物理定律錯了,只是科學家沒有理解它們真正的來源。「根據以往的見解,宇宙中發生的一切都受物理定律主宰。」他說,「物理定律是絕對的,不受時間影響。」這項特性使得物理定律能非常有效地預測未來:只要在重力定律代入地球今天的位置,就可計算出一百萬年後地球的準確位置。

這些物理定律似乎也顯示了時間真正的性質。施莫林表示:「物理定律顯示,時間流只是個方便的假象,可藉由計算加以取代。」換句話說,時間只是讓方程式吐出正確答案的小技巧。

物理定律和時間概念彷彿威力無窮,受到鼓舞的物理學家開始想找出足以解釋萬物(包括宇宙整體)性質的定律,但卻屢屢遭遇難題。

三百多年前,牛頓試圖將他的萬有引力定律套用在整個宇宙,卻發現在處理無限空間時失效了。一世紀前,愛因斯坦提出更周全的重力理論「廣義相對論」,成功套用在宇宙上,但在大尺度上解釋大霹靂時還是失敗了。

1905年,愛因斯坦發表「狹義相對論」,根據此理論,時間是相對而不是絕對的。他預測,相對運動的時鐘所測得的時間,會比靜止的時鐘來得慢。

1905年,愛因斯坦發表「狹義相對論」,根據此理論,時間是相對而不是絕對的。他預測,相對運動的時鐘所測得的時間,會比靜止的時鐘來得慢。

時間只是一個個畫格?

1960年代中期, 美國理論學家約翰‧惠勒(John Wheeler)和布萊斯‧戴維特(Bryce DeWitt)決定將所有科學領域中最成功的理論─量子理論套用在宇宙上,看看能否得到新結果。量子理論大多運用在次原子世界,不過至少理論上它可以解釋萬物,包含宇宙的大尺度運作。

惠勒和戴維特成功推導出複雜得嚇人的方程式。根據量子理論,這個方程式描述了宇宙的真實性質,不過當中有一點相當令人震驚。就是這個方程式包含許多物理量,但大家都認為應該出現的某一項卻缺席了,那就是代表時間的「t」。

「根據惠勒-戴維特方程式,宇宙的量子狀態是凍結的。」施莫林表示,「量子宇宙是不會改變的宇宙,一直停留在現狀。」這與我們所見的真實天差地遠。

戴維特(左二,攝於1972年)運用量子理論,將宇宙描述為靜止不變。

戴維特(左二,攝於1972年)運用量子理論,將宇宙描述為靜止不變。

天文學家堅稱宇宙誕生自大霹靂,現在仍不斷膨脹。不斷有恆星誕生和死亡,人類也是如此。這中間一定有什麼差錯。

許多理論學家試圖找出方法,讓惠勒-戴維特方程式所描述的「沒有時間」的宇宙,出現我們所認知到的時間。施莫林表示:「我詳加研究過這些方法,但我仍然認為它們全都無濟於事。」他確信,只有從根本上重新思考時間,才能解決這個危機。

不過,不是每個人都同意這個說法。有些人堅持,無論我們覺得多難接受,惠勒-戴維特方程式確實揭示了時間的真相。抱持這類看法的人士中,以英國牛津大學客座教授、理論物理學家朱利安‧巴伯(Julian Barbour)最為著名。他投入數十年時間探索惠勒-戴維特方程式的意義,1999年出版了相當出名的巨著《時間的終結》(The End of Time)。

巴伯的看法與施莫林不同,他堅持我們不能忽視惠勒-戴維特方程式中的時間意涵。他主張宇宙其實是一大批靜止的「現在」,就像宇宙影片膠卷上的畫格。要解釋宇宙的運作,在任何時刻(或「現在」)都不需要考慮時間。時間的流動感來自我們的心智處理這些畫格(巴伯稱之為「時間膠囊」),但時間本身並不存在。

施莫林十分讚揚巴伯的研究成果,他說:「這是理解量子宇宙論的最佳思考方法。」他甚至在自己的理論中納入巴伯的某些最新想法。不過他認為巴伯的概念和各種「沒有時間」的宇宙理論具有相同的缺陷:它難以提出可檢驗的預測,而且無法解釋沒有時間的物理定律最初從何而來。

宇宙演化論證明時間存在?

施莫林認為自己能解決這些麻煩,甚至做得更多。為了達到這個目標,他開始研究目前全宇宙最奇特的物體:黑洞。

黑洞由巨大的恆星塌縮形成,最出名的特點是重力場極強,連光都逃不出它的掌握。我們目前仍不確定黑洞內部發生什麼事,但依據量子理論的線索,黑洞中心可能是全新宇宙的誕生地,每個新宇宙各自遵循不同的物理定律。

施莫林指出,如果這個說法正確,那麼達爾文的天擇理論可套用在宇宙上,最常見的宇宙將是最適合孕育黑洞的宇宙。他表示,我們可在我們的宇宙中檢驗這套理論。歷經無數次宇宙演化之後,我們的宇宙現在應該是按照適合孕育黑洞的物理定律運作。根據施莫林的說法,天文物理學家可以檢視這是否正確,並且回溯相關證據的發生時間(參見〈恆星寫成的時間證據〉一欄)。

不過,最令人驚訝的證據或許是人類的存在。巨大恆星在超新星爆炸中死亡,黑洞於焉誕生。有趣的是,這些恆星也製造了形成生命所需的碳、氧和其他元素。沒有這些巨大的恆星,就沒有孕育宇宙的黑洞,也沒有不斷演變的物理定律,當然也沒有人類。

因此施莫林提出,人類的存在或許正是宇宙演化的證據。由於演化得花時間,所以時間確實存在。這種證明時間真實性的論證方式相當令人驚奇,不是所有人都接受。德國科隆大學理論學家克勞斯‧基佛(Claus Kiefer)教授表示:「說這些講法投機我覺得不為過。」他甚至從頭質疑施莫林這番論述:「目前完全沒有證據能證明新宇宙是誕生自黑洞內部。」

爭辯仍待「時間」釐清

然而有一點大家都同意:時間的確感覺像是真的。而且毫無疑問地,施莫林的證明方式十分大膽。

如果他是對的,那麼我們的宇宙只是無窮系列中最新的一個。宇宙隨著時間相繼出現,物理定律演化至今,不僅變得適合形成黑洞(新宇宙的誕生地),還適合形成生命(包括人類)的基礎元素。換句話說,時間解釋了我們的宇宙為何正好具備適合人類生存的條件。

所以,施莫林的說法是否正確?還是如多數理論學家所說,時間其實只是幻象?只有時間能證明了。▉

 

作者:羅伯特‧馬修斯 英國阿斯頓大學科學客座副教授。
譯者:甘錫安 專職譯者,長期翻譯科學類雜誌及書籍。
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恆星寫成的時間證據

超新星爆炸之後的恆星命運,能為我們揭開時間的奧祕嗎?

巨大恆星耗盡核燃料後,會因自身的重力而塌縮,引發超新星爆炸。如果剩餘質量相對較小,將形成所謂的「中子星」;但如果質量夠大,重力勢必會使殘骸變成密度無限大的黑洞。

美國理論物理學家施莫林認為黑洞可孕育新的宇宙,這些「後代」(包括我們的宇宙)則適合製造更多的黑洞。根據目前的黑洞形成理論,這表示只要超新星殘骸的質量達太陽的兩倍,應該就可在我們的宇宙形成黑洞。由此預測,如果質量超過太陽兩倍的殘骸僅形成中子星而沒有形成黑洞,就表示我們的宇宙並非最適合製造黑洞,因此施莫林的理論不正確。天文學家截至目前仍未發現超越施莫林極限的中子星。

超新星的想像圖。這種威力強大的爆炸可能會形成黑洞。

超新星的想像圖。這種威力強大的爆炸可能會形成黑洞。

●本文選自《BBC知識國際中文版》第28期(2013年12月號)。版權所有,轉載請註明出處。

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