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【GENE思書軒】從剎那到永恆,來談談時間的奧秘吧!

Gene Ng_96
・2019/01/19 ・4570字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

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光陰似箭,快樂的日子總是過得比較快的,沒一會兒,春節假期就過完了,還沒補夠眠就要上班了 Orz

「一個男人與美女對坐一小時,會覺得似乎只過了一分鐘;但如果讓他坐在熱火爐上一分鐘,會覺得似乎過了不只一小時,這就是相對論。」是愛因斯坦的名句。

即使不快樂的時光,也能夠過得飛快,尤其是當人年紀愈來愈大,就越來越有時間過太快不夠用的感覺。

年紀愈來愈大,就越來越有時間過太快不夠用的感覺。
圖/pixabay

來談談時間吧!

時間客觀上是一種尺度,根據維基百科,時間在物理定義是純量,藉著時間,事件發生之先後可以按過去/現在/未來之序列得以確定(時間點),也可以衡量事件持續的期間以及事件之間之間隔長短(時間段)。時間是除了空間三個維度以外的第四維度。

我們平時經歷的時間,在有鐘錶的情況下是小時、分鐘和秒。我們人類一生也不過幾十年,了不起百年,我們能輕易理解年月的意思。就算有讀書,人類文明頂多也只有上萬年歷史,因此要我們理解超過萬年的事物,如動輒幾百萬、幾千萬、幾億、幾十億年老的地質年代和古生物,我們演化來面對現實生活的腦袋就失靈了。因此有時候在解說一些演化史的時間概念時,我們要打個比方,比如說如果把寒武紀大爆發的五億四千萬年壓縮成一天,我們廿萬年前出現非洲草原的智人祖先不過是在最後卅秒才現身地球。如果算上地球的歷史 45 億年和銀河系的 132 億年歷史,那更難理解了。

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圖/wikipedia

我們不僅不容易理解超長的時間,也不易理解極短暫的時間,除了禪修者之外。人類的歷史中,精準地計時,才幾百年的歷史,過去絕大多數人只是粗略地計時,不像現代人分秒必爭,一秒幾十萬上下。現在人類可以測量的時間,已經到了阿秒的地步,這也是人類難以想像的短暫時間!

極大時間 & 極短時間

儘管一再強調難以想像,可是科學家就能用理性的分法去理解並且設計測量的方法,但是這些極大和極短的時間究竟有何科學上的意義呢?有本稀有的好書《時間之冪:從極短暫到永恆,囊括各種時間尺度的祕密》(Time in Powers of Ten: Natural Phenomena and Their Timescales),就有兩位荷蘭烏德勒支大學 (Utrecht University) 的理論物理學家特胡夫特 (Gerard’t Hooft) 和范都仁 (Stefan Vandoren) 來告訴大家時間的秘密。

他們以 10 為倍數,從 1 秒、10 秒、100 秒、1,000 秒開始至到 1032秒,然後倒過來從 10-25  秒、1 攸秒、10 攸秒、100 攸秒⋯⋯談回到 1 秒。全書有 48 章,每章談的有衰變、星球軌道、週期及頻率、宇宙學、光,層次分明。極長的時間中,我們進入宇宙學的領域;而極短的時間中,我們進入了量子力學和粒子物理的領域。《時間之冪》探討的尺度不僅是時間,也跨到了空間。

雖然談的是時空,但這本書的內容極為多樣,真佩服作者能收集到這麼豐富的材料,而且還深入淺出地解說,是不可多得的科普好書。他們用樓高 508 公尺的台北 101 大樓解說忽略空氣阻力的自由落體著地需要 10.18 秒。雖然我是物理白痴,但也能讀得趣味盎然。

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他們坦承,這樣的寫法並非原創的,並指出一位住在比爾托芬 (Bilthoven) 小鎮的老師伯克 (Kees Bokes) 先生,在 1957 年出版了《宇宙觀:穿越宇宙的四十步》(Cosmic View: The Universe in 40 Jumps),是短片《十的乘冪》(Powers of Ten) 的前身,不過他們談的是超過半個世紀的科學成就,不僅主要是物理,還包括化學、生物和地質的現象。

時間之冪》提到,理論上,普朗克時間 (Planck time) 是最小的可測時間間隔。普朗克時間是光波在真空裡傳播一個普朗克長度的距離所需的時間。它的數值大約為 5 × 10-44 秒。現行的物理定律預測,在這短暫時間間隔裏所發生的任何變化,是無法測量或探測求得。到 2010 年 5 月為止,直接測量的時間不確定性最小為 12 阿秒 (1.2 × 10-17秒),約為 3.7 × 1026 個普朗克時間。

神岡探測器

時間之冪》有許多彩圖,有些篇章雖然超出我專業所以不見得都讀懂,但是仍舊被物理學家極強的毅力和智慧設計出測量極長和極短時間的儀器給折服到想跪下。質子衰變成 K 介子的生命期上限為 5.9 × 1033 年,為了探測極為罕見的質子衰變,科學家建造了令人印象深刻的大型微中子探測器超級——日本的神岡探測器 (Super-KamiokaNDE,可縮寫為Super-K或SK;スーパーカミオカンデ),是東京大學在岐阜縣飛驒市神岡町的茂住礦山一個深達 1000 公尺的廢棄砷礦建造的。神岡探測器之所以蓋在如此深的地層中是因為要阻隔其他的宇宙射線訊號。

圖/google地圖

神岡探測器主要部分是一個高 41.4 公尺、直徑 39.3 公尺的不鏽鋼圓柱形的容器,盛有 5 萬噸高純度的水。水箱容量被分成由一個直徑為 33.8 公尺和高度為 36.2 公尺的不鏽鋼上層結構的內部探測器 (ID) 區,和包括其餘結構的外部探測器 (OD) 區。容器的內壁上安裝有 11,200 個光電倍增管,用於探測高速微中子在水中通過時產生的契忍可夫輻射 (Cherenkov radiation),那是是介質中運動的電荷速度超過該介質中光速時發出的一種以短波長為主的電磁輻射,其特徵是藍色輝光。

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2015 年日本物理學家梶田隆章就是因神岡探測器的研究「發現了微中子震盪,證明了微中子具有質量」而榮獲諾貝爾物理學獎。梶田的老師小柴昌俊用超級神岡探測器證實反應爐中產生的微中子發生了振盪,因「在天體物理學領域做出的先驅性貢獻,其中包括在探測宇宙微中子和發現宇宙X射線源方面的成就」在 2002 年獲得諾貝爾物理學獎。《時間之冪》提到的許許多多時間的測量,在基礎研究過程中,科學家為了突破測量極限,也都推升了科技的大幅進展,可見基礎研究實力才是先進國家科技發展最重要助力。

描寫時間的那些詞彙

雖然不容易想像,但中文裡還是有許多描寫極長和極短時間的詞彙,除了書中提到,還有如須臾、瞬息、彈指、剎那⋯⋯,以及恆河沙、阿僧祇、那由他⋯⋯從這些名詞不像中文來看,它們應該是外來的。沒錯,這些詞彙都來自印度,熟讀佛典的朋友更不陌生。印度人有很強的邏輯數學能力,我們現在通用的所謂阿拉伯數字,發明者其實就是印度人。以下是佛典的記載,非常長,有興趣可以研究一下:

極短的時間,在《摩訶僧祇律》就記載:「須臾者。二十念名一瞬頃。二十瞬名一彈指。二十彈指名一羅豫。二十羅豫名一須臾。日極長時有十八須臾,夜極短時有十二須臾。夜極長時有十八須臾,日極短時有十二須臾」。意思是 24 小時有 30 個須臾,1.2 萬個彈指,24 萬個「瞬間」,480 萬個「剎那」。推知「一剎那」是 0.018 秒;又據《大毘婆沙論》記載:「百二十剎那成一怛剎那。六十怛剎那成一臘縛,此有七千二百剎那。三十臘縛成一牟呼栗多,此有二百一十六千剎那。三十牟呼栗多成一晝夜」。一日一夜有 30 牟呼栗多,900 臘縛,54,000 怛剎那,6,480,000 剎那、一剎那的時間長度是 1/75 秒(約為 0.013 秒);《仁王護國般若波羅蜜多經觀如來品第二》中提到:「一念中有九十剎那,一剎那經九百生滅」。
而極長的時間,《妙法蓮華經》:「我成佛已來。復過於此百千萬億那由他阿僧祇劫。自從是來。我常在此娑婆世界說法教化。」;《大方廣佛華嚴經卷第四十五》:「佛言:『善男子!一百洛叉為一俱胝 (100 × 10^5 = 10^7),俱胝俱胝為一阿庾多 (10^7 × 10^7 = 10^14),阿庾多阿庾多為一那由他 (10^28),那由他那由他為一頻婆羅 (10^56),頻婆羅頻婆羅為一矜羯羅 (10^102),矜羯羅矜羯羅為一阿伽羅 (10^204),阿伽羅阿伽羅為一最勝 (10^408),最勝最勝為一摩婆(上聲呼)羅 (10^816),摩婆羅摩婆羅為一阿婆(上)羅,阿婆羅阿婆羅為一多婆(上)羅,多婆羅多婆羅為一界分,界分界分為一普摩,普摩普摩為一禰摩,禰摩禰摩為一阿婆(上)鈐,阿婆鈐阿婆鈐為一彌伽(上)婆,彌伽婆彌伽婆為一毘攞伽,毘攞伽毘攞伽為一毘伽(上)婆,毘伽婆毘伽婆為一僧羯邏摩,僧羯邏摩僧羯邏摩為一毘薩羅,毘薩羅毘薩羅為一毘贍婆,毘贍婆毘贍婆為一毘盛(上)伽,毘盛伽毘盛伽為一毘素陀,毘素陀毘素陀為一毘婆訶,毘婆訶毘婆訶為一毘薄底,毘薄底毘薄底為一毘佉擔,毘佉擔毘佉擔為一稱量,稱量稱量為一一持,一持一持為一異路,異路異路為一顛倒,顛倒顛倒為一三末耶,三末耶三末耶為一毘覩羅,毘覩羅毘覩羅為一奚婆(上)羅,奚婆羅奚婆羅為一伺察,伺察伺察為一周廣,周廣周廣為一高出,高出高出為一最妙,最妙最妙為一泥羅婆,泥羅婆泥羅婆為一訶理婆,訶理婆訶理婆為一一動,一動一動為一訶理蒲,訶理蒲訶理蒲為一訶理三,訶理三訶理三為一奚魯伽,奚魯伽奚魯伽為一達攞步陀,達攞步陀達攞步陀為一訶魯那,訶魯那訶魯那為一摩魯陀,摩魯陀摩魯陀為一懺慕陀,懺慕陀懺慕陀為一瑿攞陀,瑿攞陀瑿攞陀為一摩魯摩,摩魯摩摩魯摩為一調伏,調伏調伏為一離憍慢,離憍慢離憍慢為一不動,不動不動為一極量,極量極量為一阿麼怛羅,阿麼怛羅阿麼怛羅為一勃麼怛羅,勃麼怛羅勃麼怛羅為一伽麼怛羅,伽麼怛羅伽麼怛羅為一那麼怛羅,那麼怛羅那麼怛羅為一奚麼怛羅,奚麼怛羅奚麼怛羅為一鞞麼怛羅,鞞麼怛羅鞞麼怛羅為一鉢羅麼怛羅,鉢羅麼怛羅鉢羅麼怛羅為一尸婆麼怛羅,尸婆麼怛羅尸婆麼怛羅為一翳羅,翳羅翳羅為一薜羅,薜羅薜羅為一諦羅,諦羅諦羅為一偈羅,偈羅偈羅為一窣步羅,窣步羅窣步羅為一泥羅,泥羅泥羅為一計羅,計羅計羅為一細羅,細羅細羅為一睥羅,睥羅睥羅為一謎羅,謎羅謎羅為一娑攞荼,娑攞荼娑攞荼為一謎魯陀,謎魯陀謎魯陀為一契魯陀,契魯陀契魯陀為一摩覩羅,摩覩羅摩覩羅為一娑母羅,娑母羅娑母羅為一阿野娑,阿野娑阿野娑為一迦麼羅,迦麼羅迦麼羅為一摩伽婆,摩伽婆摩伽婆為一阿怛羅,阿怛羅阿怛羅為一醯魯耶,醯魯耶醯魯耶為一薜魯婆,婆薜魯婆為一羯羅波,羯羅波羯羅波為一訶婆婆,訶婆婆訶婆婆為一毘婆(上)羅,毘婆羅毘婆羅為一那婆(上)羅,那婆羅那婆羅為一摩攞羅,摩攞羅摩攞羅為一娑婆(上)羅,娑婆羅娑婆羅為一迷攞普,迷攞普迷攞普為一者麼羅,者麼羅者麼羅為一馱麼羅,馱麼羅馱麼羅為一鉢攞麼陀,鉢攞麼陀鉢攞麼陀為一毘伽摩,毘伽摩毘伽摩為一烏波跋多,烏波跋多烏波跋多為一演說,演說演說為一無盡,無盡無盡為一出生,出生出生為一無我,無我無我為一阿畔多,阿畔多阿畔多為一青蓮華,青蓮華青蓮華為一鉢頭摩,鉢頭摩鉢頭摩為一僧祇,僧祇僧祇為一趣,趣趣為一至,至至為一阿僧祇,阿僧祇阿僧祇為一阿僧祇轉,阿僧祇轉阿僧祇轉為一無量,無量無量為一無量轉,無量轉無量轉為一無邊,無邊無邊為一無邊轉,無邊轉無邊轉為一無等,無等無等為一無等轉,無等轉無等轉為一不可數,不可數不可數為一不可數轉,不可數轉不可數轉為一不可稱,不可稱不可稱為一不可稱轉,不可稱轉不可稱轉為一不可思,不可思不可思為一不可思轉,不可思轉不可思轉為一不可量,不可量不可量為一不可量轉,不可量轉不可量轉為一不可說,不可說不可說為一不可說轉,不可說轉不可說轉為一不可說不可說,此又不可說不可說為一不可說不可說轉。』」

圖/pixabay

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene

文章難易度
Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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高速移動的話時間流速會不一樣嗎?時間暫停是可能的嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/08 ・2746字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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我們都感覺到相同的時間嗎?

在二十世紀之前,科學認為時間是普適的:每個人和宇宙中的一切,都感覺到相同時間。那時的假設是,你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘,那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟,這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下,如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑,會是多麼混亂!

但後來,愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」*1 概念,改變了一切。愛因斯坦強調,移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星,那麼你體驗的時間,將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢,像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣,而是說地球上的人和時鐘測量到的時間,會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式(以每秒一秒的節奏)體驗時間,但是如果我們彼此以相對高速移動,我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方,製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行,似乎違背了所有的邏輯論證,但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的,因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機(或汽車、飛機)上的 GPS 接收器,會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢(衛星以每小時數千里的速度,在受地球巨大質量彎曲的空間中移動)。沒有這些資訊,你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中,精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時,這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說,宇宙有個最高速限:光速。根據愛因斯坦的相對論,沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率,可以比光跑得快。這個速率(每個時段所移動的距離)的絕對上限,會產生一些奇怪後果,並挑戰我們的時間概念。

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首先,先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是:從任何角度來衡量任何人的速率時,這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時,無論你用什麼觀點來看,就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說,手電筒的光線以光速遠離你。不過,我們是否可以把你的沙發綁在火箭上,點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢?如果此時你打開手電筒,會發生什麼事?如果把手電筒指向火箭前方,光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢?

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎?〉花更多時間在這些想法上。但重要的是,為了讓所有觀察者(在火箭上的你和我們其他在地球上的人)看到,手電筒的光線都是以光速移動的,於是某些東西必須改變,這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念,讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間,而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡,你沒有穿越空間(相對於地球)的速率,所以你穿越時間的速率可以很高。

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但如果你坐在火箭上,對地球而言,火箭的移動速度接近光速,那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此,為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時,保持在宇宙速限之內,你的時間速率必須減少,在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎?

對於不同人可以回報不同時間長度,你可能很難接受,但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是,人們可能會在某些情況下,看到事件以不同順序發生,而且都是正確的。舉例來說,兩位誠實的觀察者,如果以非常不同的速度移動,他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑,那麼,依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離,你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本,如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動,她看到的比賽結果可能完全不同。而且,所有人都是正確的!(不過要注意的是,每個人的時間起始點都不相同。)

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圖/《關於宇宙我們什麼都不知道》

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史,所以不同人可以體驗不同的時間,是令人難以接受的想法。我們可以想像,原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事(這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊)。如果這故事存在,那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查,除非是無心之過或視力模糊,每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的,所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序,會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域,但驚人的是,這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣,我們被迫拋棄自我的直覺,並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎?

打從一開始,人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前,我們從未見過它做過其他事,既然如此,時間怎麼可能還有別的選項呢?由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進,所以很難自信的說,時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信,時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說,時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的,當宇宙達到最大熵時會發生什麼事?在這樣的宇宙裡,一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼,時間會在這一點停下來嗎?還是時間不再有意義?一些哲學家猜測,在這個時刻,時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來,導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過,這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測,而不是實際的科學預測。

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還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙,一個時間向前流逝,一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢?我們可以在三個(或更多)空間方向中移動,為什麼不能有兩個或更多的時間方向?真相為何?如往常一樣,我們不知道。

註解

  1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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為什麼時間總是「往前」?熵是什麼?和時間有關聯嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/07 ・2581字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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為什麼時間向前走?

既然我們不能回到過去,你可能會合理的問:「為什麼時間向前走?」

對我們來說,時間不向前走的概念是匪夷所思的。你不會期待烤箱能把煮熟的食物變回原料,或杯子內的飲料在炎熱的日子裡形成冰塊,甚至女童軍餅乾也不會憑空出現。所有事情都以我們非常熟悉的方式隨時間前進,但如果你看到逆著時間走的情形,你可能會想自己是否是藥吃多了。

同樣的,你可以記住過去發生的事,但是你不能想起未來發生的事 *1。時間似乎有一個偏好的方向,我們不知道為什麼。

為什麼時間只向前走?這個基本問題長久以來深深困擾著物理學家。事實上,「時間向前」到底意味著什麼?在某些宇宙中,時間可能流向其他方向。他們的科學家可能會定義往「那個方向」向前。 所以真正的問題應該是:「為什麼時間朝著它前進的方向移動?」

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我們先來考慮,如果時間往其他方向走,宇宙是否能夠運作。 物理學定律要求時間往單一方向流動嗎?想像你正在看某些宇宙影片,你能透過仔細檢查,來判斷影像是否正在向前或向後播放嗎? 例如,假設你正在觀看一個球上下彈跳的影片,只要球完全彈跳 (並且不會因為摩擦或空氣阻力失去任何能量),那麼這個影像無論是往前或往後播放,看起來都會一模一樣!在罐內反彈的氣體粒子或在河中流動的水分子也是如此。即使量子力學也能逆著時間運作 *2。事實上,幾乎每個物理定律在時間往前或往後都可以成立。

但這不是全部的故事。

完全彈跳球的例子是不現實的,因為它忽略了球在地面上的摩擦力、空氣阻力以及諸多其他讓球的能量耗散成熱量的方式。經過幾次彈跳後,即使寵物雪貂最喜愛的超級彈力球也會停止彈跳,最終穩定在地面上。球的所有能量將轉化成熱,傳至空氣分子、球分子或地面分子。

想像一下,倒著播放的彈跳球影像會變得多麼奇怪,坐在地上的球會突然開始彈跳起來,而且愈彈愈高。能量流將看起來更奇怪:空氣、球和地面會冷卻下來,失去的熱將轉化為球的動能。

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在這個例子中,你可以肯定指出時間向前和向後的區別。烹飪食物、融化冰塊和吃餅乾等也都相同。但是,如果物理學的大部分定律都能反向工作,特別是熱和擴散等微觀物理,為什麼宏觀過程似乎只在一個時間方向發生?原因是系統中的無序量,也就是熵,非常強烈傾向於單一時間方向。

熵總是隨時間增加。這稱為熱力學第二定律。熵視為某些事物中的無序量。你忘記餵食雪貂時,雪貂會毀壞客廳,撞翻整疊有完整簽名的這本書,雪貂透過增加亂度來提高客廳的熵。

如果你回家重新整理客廳,可以減少客廳的熵,但是這樣做需要相當程度的能量,你把能量釋放成熱、沮喪和低聲咒罵著要如何告訴室友說:「養雪貂是個壞主意。」在整理客廳時,你釋放的能量將保持總熵的增加。每當你產生任何局部秩序,例如:堆疊書籍、在方格紙上做標記,或打開空調時,你都會同時產生亂度這個副產品,且通常以熱的方式呈現。根據熱力學第二定律,平均而言,總熵沿順向時間減少是不可能發生的事。

(注意:這是機率描述。技術上來說,一群憤怒的雪貂有可能意外的組織一個完全有序的隊伍,從而減少了牠們的熵,但機率微乎其微。孤立事件可能發生,但平均熵總是增加。)

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這會導致令人不寒而慄的後果:因為熵只會增加,在最終非常非常久遠的未來,宇宙將會達到最大亂度,這有個聽起來很酷的名字:「宇宙熱寂」。在這種狀態下,整個宇宙將處於相同溫度,這表示一切都將完全無序,沒有一丁點有用的有序結構(如人類)。在熱寂之前,我們仍然有空間可以創造局部秩序,只因為宇宙還沒有達到最大亂度。

現在我們逆著時間回想。過去每個時刻,宇宙的熵比現在更少(更有秩序),一直回溯到大霹靂時。把大霹靂當成是搬家卡車和小孩來到新房子之前的那一刻。宇宙的初始狀態(當熵最低時)決定了宇宙從誕生到熱寂之間有多少時間。如果宇宙從一開始就已經有大量亂度,不需要太多時間就能達到熱寂。在我們自身的例子中,宇宙似乎始於非常有序的狀態,在達到最大熵之前給了我們很多時間。

為什麼宇宙從一開始是從高度有組織的低熵狀態中啟動?我們不知道,但是我們確實很幸運,因為宇宙在開始和結束之間,留下了很多時間來做有趣的事情,比如製造行星、人類和冰棒。

熵是否幫助我們了解時間?

熵是少數幾個關心時間如何流逝的物理定律之一。

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影響熵的多數過程(例如影響氣體分子如何互相反彈的運動學定律),可以完美的逆著時間走。但大體來說,它們遵循一項定則:有序數量隨時間前進而遞減。所以時間和熵互相以某種方式連接起來。但到目前為止只有一個相關性:熵隨時間而增加。

這是否代表熵導致時間只能向前流動,就像是山丘只讓水往下流那樣;或者熵是遵循時間的箭頭,像被捲入龍捲風的碎片?

即使你接受熵隨時間前進而增加,仍然不清楚為什麼時間只會向前進。例如,你可以想像一個時間向後的熵,熵隨負時間而減少,這將保持熵和時間的關係,而不會違反熱力學第二定律!

與其說熵洞察了時間的一切,不如說它是個線索。熵是我們關於時間如何運作的少數線索之一,所以值得注意。熵是理解時間方向的關鍵嗎?雖然很多人如此臆測,但我們還是毫無頭緒。不僅如此,我們能把這問題弄清楚的辦法也寥寥無幾。

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註解

  1. 如果你能記得未來的事,請打電話給我們,我們有些問題想請教你。
  2. 除了波函數的崩陷之外,有些人認為它是不可逆的、有些人則認為是失去同調性,而其他人只是為了辯論而辯論。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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你有時間了解「時間」到底是什麼嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/06 ・3469字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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時間是什麼?

我們已經看到,空間、質量和物質這樣的基本概念,其實比你想像的更神祕。那麼我們的世界還有哪個基本要素,有可能在眾目睽睽之下隱藏了它們的祕密?現在是時候讓我們提出這個及時的問題了:時間究竟是什麼?

如果你是訪問地球的外星人,試圖透過偷聽咖啡館和雜貨店裡的對話來學習我們的語言,你可能很難回答「時間是什麼」這個問題。人類花很多時間聊時間,但幾乎沒有時間討論時間究竟是什麼!

我們無時無刻不在檢查時間。我們談起壞的時光、好的時光、過去的年代以及瘋狂的年代。我們節省時間、把握時間、製造時間、花費時間、縮短時間或誤了時間。時間可以終了、可以暫停、可以超過,或甚至可以停止。時間不會等待過客!有時我們說,時光飛逝,或說你的身體在不知不覺中留下了歲月的痕跡。甚至說,時間一點一滴的流逝。不過大多數的時候,我們只是感嘆用完了時間。

究竟,時間是什麼呢?時間會是有形的東西(如物質或空間)嗎?或者時間是我們立足於宇宙經驗上的抽象概念?

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如果你希望物理學家對這深奧,又有點令人混淆的時間問題做出回答,現在還不是時候。時間仍然是物理學的巨大奧祕之一,時間問題甚至動搖物理學最根本的定義。所以讓我們花點時間,仔細研究這個亙古不變的話題。

時間到底是什麼

在所有關於宇宙的問題裡,最有趣的是那些聽起來很簡單,但實際上很困難的問題,它們會讓你在埋頭苦思後,才意識到有些基本的東西就擺在眼前,而我們卻沒有明確的解釋。

這類問題產生一種可能性:我們可能把一切都想錯了,就像我們過去那樣(例如「地球是平的」或「嘿!讓我放些水蛭到你身上來治病!」)。在得到堅定且具體的答案後,可能會徹底改變我們對於宇宙,以及我們在宇宙何處的思考方式。翻盤的機率非常高!

我們要做的第一件事,就是嘗試定義時間是什麼。畢竟,這是物理學家解決難題的步驟。首先,我們對你想要理解的東西,提出鉅細靡遺的定義;接著,我們用數學來描述定義,這允許你應用邏輯和實驗的力量來引領其他步驟。

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所以,時間是什麼?如果你今天在街上隨機街訪陌生人,並要求他們定義時間,你可能會得到如下的答案:

「時間是過去和現在之間的區別。」
「時間告訴我們事情在何時發生。」
「時間是時鐘測量的數值。」
「時間就是金錢,所以別煩我!」

以上所述,都是對時間合理的定義,但是這些答案反而產生層出不窮的問題。例如,你可以問:「為什麼從一開始就有『過去』和『現在』的存在?」或「究竟『何時』是什麼意思?」還有「時鐘不是受時間支配嗎?」或「誰有時間管這些問題?」

如果我們不能描述時間,似乎很難在時間問題上取得進展。但不需要因此而驚慌。雖然「時間是什麼」聽起來像是五歲小孩會問的問題 *1,但無法定義或精確描述我們非常熟悉的東西,這種狀況我們也不是第一次遇到,在其他領域也曾發生:過去數十年來,生物學家一直在爭論「生命」的定義(殭屍權利組織是強大的遊說團體),神經科學家對「意識」有激烈爭議,而哥吉拉學家 *2 不能就「怪物」的定義達成一致協議。

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定義時間的部分難處在於,時間已經根植在我們的經驗和思考模式裡。時間是我們聯繫現在的「現在」與過去的「現在」的方法。我們現在正感覺到的所有一切,就是我們所說的「現在」,但「現在」轉瞬即逝,我們沒辦法把時間當做美味的巧克力蛋糕,細細品嘗或延續。我們經歷的每一刻,都會從現在的鮮活體驗瞬間,轉成過去的褪色記憶。

但時間也有關未來。能夠將未來與過去和現在互相連結事關重大。如果你是希望在下個嚴冬生存下去的穴居人,或是需要地方為智慧手機充電的現代人,那麼從過去推斷來思考未來,絕對是生存關鍵。所以很難想像,人類經驗若沒有時間概念會怎樣。

物理學家思考時間的方式也是如此。事實上,時間深嵌在物理學的基本定義裡!根據權威定義(維基百科),物理學只不過是「研究物質本身,以及物質在時空中的運動」。即使是「運動」這個詞也包含了時間概念。物理學的基本工作,就是用過去了解未來有什麼可能性,以及我們如何影響未來。沒了時間,物理學就沒有意義。

事實是,人類對時間的任何定義,都可能受我們的經驗扭曲。想一想,就算是思考時間也「需要」時間!外星物理學家可能有與我們相異的時間概念,因為他們的經驗和思維模式,與我們有天壤之別,以致於我們目前的主觀經驗,阻礙了我們真正理解時間的定義。

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所以請告訴我們:時間是什麼?

我們來談談雪貂。

為了進一步了解物理學家對時間的想法,讓我們考慮常見的情況。例如,假設你的寵物雪貂正計劃在你下班回家時,把水球丟在你頭上。這情況常常發生,是吧?

現在,別把時間想成流暢的經驗,而是把時間切成片段,並設想它就像電影一樣,是把許多靜態快照接在一起。

對物理學家來說,每張快照都描述了某個事件在每個時刻的狀態。所以,你可能有如下的快照系列:

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  1. 你無憂無慮吹著口哨,天真的走到家門前。
  2. 雪貂將水球推到發射位置。
  3. 你把鑰匙插進鑰匙孔。
  4. 雪貂發射水球。
  5. 你成了落湯雞。
  6. 雪貂捧腹大笑。

每張快照都是對局部狀況的描述:在那個時刻,所有東西所處的位置以及正在做的事情。每張快照都是凍結、靜止、沒有變化的。如果我們沒有時間概念,宇宙將是這些凍結的快照之一,無法改變或運動。

幸運的是,我們的宇宙沒那麼無趣:這些快照彼此不能單獨存在,時間將它們以兩種重要的方式聯繫在一起。

首先,時間把快照以特定序列鏈結。譬如,快照如果沒照順序排好,我們可能會感到不對勁。

其次,時間要求快照彼此因果相連。這表示宇宙中的每一刻,都取決於前一刻發生的事情。這不過是因果關係罷了。例如,你不能這一刻坐在沙發上吃冰淇淋,而下一刻就已經跑完半場馬拉松。

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這正是物理定律的工作:物理定律告訴我們,宇宙可以怎麼變,或不可以怎麼變。從一張過去的快照,物理學能告訴我們在未來的快照中,哪些是比較可能的,哪些則是緣木求魚。而時間是這些推測的基本要求。由於任何一種變化或運動都需要時間,如果時間不存在,我們必須想像一個靜態的宇宙。

那麼,要如何將快照論述連接到我們的平滑時間經驗?好吧!我們可以把這些快照拼接在一起,把快照之間的時間間隔縮得愈小愈好 *5,使它像我們喜歡的電影一樣順暢且連續。

這正是為了物理而發明的數學語言「微積分」的作用。微積分把許多微小切片,轉換成平滑變化。你看電影時,由於時間間隔非常小,你沒有注意到電影實際上是一系列的凍結影像。以同樣的方式,我們可以用一組有序且由物理學相互關聯的靜態快照,來描述充滿變化和運動的宇宙。時間是這些快照的排序和間距。

註解

  1. 物理學家是永遠長不大的五歲小孩。
  2. 小朋友抱歉了,哥吉拉學家不是真正的工作。
  3. 譯注:引述自美國著名電視影集「超時空奇俠」(Dr. Who)的經典台詞。劇中人用此台詞來形容混亂的時間線。
  4. 譯注:改寫自捷克裔法國作家米蘭.昆德拉 1984 年的小說《生命中不能承受之輕》。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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