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時間旅行(一)可能性的幾種區分

活躍星系核_96
・2014/08/16 ・1458字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

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Credit: Zorin Denu via Flickr

Credit: Zorin Denu via Flickr

文/陳培興,部落格書寫隨興

〈時間旅行(序)〉,我們已簡介過時間旅行(Time travel)的討論。接下來可以開始探討時間旅行的可能性。但在此之前,我們首先要先知道「可能」這個語辭也是有歧義的,這次本文會說明和區分「可能」的不同意思,藉此把它清楚地應用在時間旅行的討論中。

你或許會奇怪:「可能不就是可能嗎?這有什麼好區分的?」其實「可能」是一個有歧義的語辭,雖然在日常生活上就算不釐清也什麼影響,但是在談論時間旅行的語境中,它會是比較容易引起混淆的字眼。為免因為歧義而引起不必要的爭論,我們要先釐清「可能」的用法,藉此展開一個較清晰的討論。

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談論時間旅行至少會涉及以下幾種可能性:

  1. 邏輯可能性(logical possibility)
  2. 經驗可能性(empirical possibility)[1]
  3. 技術可能性(technical possibility)

當我們說某件事態是邏輯上可能的意思是指:該命題並不抵觸邏輯定律、並不同時斷定(或蘊涵)自相矛盾的情況。那什麼是自相矛盾呢?譬如:「我是人並且不是人」就是一個自相矛盾的例子,它有著同時斷定P和~P的意思,凡是不蘊涵這種邏輯矛盾的命題才是邏輯上可能的。

而當我們說某件事態是經驗上可能的意思是指:該事態並不違反自然律(laws of nature)包括各種物理法則例如「沒有任何物質能以超光速運動」(假設這些物理法則是真的),凡是不違反自然律的事態才是經驗上可能的。

另外當我們說某件事態是技術上可能的意思是指:該事態並不與當時的技術水平有所抵觸。例如「載人登陸月球」在過往是技術上不可能的,但隨著科技水平提升,在現今的技術已經能夠實現。又例如「建造載人百萬的飛行船」亦是現今技術上可能的,儘管沒有國家會耗費龐大的資金和人力去實踐。只要不抵觸當時的科技水平,我們就會說該事態是技術上可能的。

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最後若你有細心留意,應該不難發現這幾種可能性之間還有重要程度之分,其中又以第一項邏輯可能性最為基本,第二項經驗可能性次之,第三項技術可能性在後。許多哲學家和科學家所質疑的並不是「時間旅行」是否在技術上可能,而是邏輯上是否可能,這種質疑比起其餘兩項有更大威脅。

因為任何命題若是邏輯上不可能,那麼它在經驗上和技術上也是不可能的。比如「我畫一個『是圓又並非圓』的圖形」,這命題無論我怎樣做,它在經驗上和技術上也是無法達成的。這因為該命題隱含矛盾:「圓」和「並非圓」兩者既不可能同真,亦不可能同假,我們無法達成邏輯上矛盾的命題。相反,如果某件事態並不抵觸邏輯定律,也不違反自然律,只是在目前技術上無法實現,那麼我們仍可以想像有一天科技進步了,到時候就能把它實現。

附註

經驗可能性有時亦稱「物理可能性」(physical possibility)。

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參考資料

  • Hospers, John. An Introduction to Philosophical Analysis. 4th Edition. London: Routledge, 1997, pp. 121–122.

延伸閱讀

文章難易度
活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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時空旅行有可能嗎?我們如何感受時間?談談那些神秘的時空理論!
PanSci_96
・2023/06/25 ・3872字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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時空旅人存在嗎?霍金的未來派對

回到過去不只是科幻迷的夢想,每個人或多或少,都有一兩件想要改變或挽回的事。可惜的是,我們在空間中可以自由移動,甚至走到馬路對面再走回來,回到起點。(當然,也有人走個斑馬線就到了異世界)然而在時間軸上,我們卻不斷地向前進,不能倒頭。這是為什麼呢?

物理大師史蒂芬.霍金,對時間的研究可說是不遺餘力,他也透過著名的《時間簡史》、《大設計》等著作,向我們闡述宇宙與時空的奧妙。霍金是位時空旅行的夢想家,為了驗證世界上是否真的有時空旅人,他甚至曾經做了一個有趣的實驗。

2009 年 6 月 28 日中午 12 點,霍金認真地在劍橋大學舉辦一場盛大派對,桌上擺了美食與香檳,一旁的柱子上還綁了三色氣球。霍金仔細地準備好公開邀請函,上面寫著「誠摯地邀請您參加時空旅行者派對」,附上時間、地點甚至是準確的經緯度,希望時空旅人沒有迷路的藉口。

邀請函對外公開時間是派對結束「之後」,他確保這個訊息可以流傳數百年,並希望有時空旅人能看到邀請函,回到過去參加這個派對。可惜的是,無人響應、無人到場。霍金認為這證明了他的推論——時間旅人不存在。當然,如果當時有時空旅人跳出來打臉他,他也會感到非常開心。還是你認為,這只是因為時空管理局下明令,禁止未來人透露各種訊息給過去的人類,對於結果其實不需要感到意外呢?

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為何我們不能讓時間倒轉?霍金的三支箭矢

在研究時空旅行之前,我們先來了解,為什麼我們總無法倒轉時間。

對於時間的流向,霍金提出了「三支箭矢」的構想,這不是安倍晉三的經濟學箭矢,而是時間箭矢。這三支時間箭矢,分別為心理學箭矢、熱力學箭矢、和宇宙箭矢

心理學箭矢,就是我們生物感受到時間的流向。熱力學箭矢,則是熱力學中「熵」越來越大的方向,也是世上一切現象運行的方向。

所謂「熵」,是我們用來評估一個狀態的混亂程度的物理量。熵越大越混亂;例如,髒亂房間的熵比整齊的房間還大、摔成碎片的杯子熵比完整的時候還要大。根據熱力學第二定律,世間一切現象都會朝著熵變大的方向發展:杯子一定會摔碎、裡面的水一定會灑滿一地。但是,我不是可以把髒亂的房間整理整齊嗎?沒錯,但熱力學告訴你,在你整理房間的時候,你可能為世界增加了 20 點的秩序量,但你身體因為運動放出的熱能,可能會為整個宇宙增加 100 點的混亂量,整體的熵還是增加的。

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熱力學告訴你,在你整理房間的時候,你可能為世界增加了 20 點的秩序量,但你身體因為運動放出的熱能,可能會為整個宇宙增加 100 點的混亂量,整體的熵還是增加的。圖/envatoelements

至於最後一根箭,宇宙箭矢,則是宇宙膨脹的方向。宇宙在膨脹過程中,粒子會越加分散,熵也會持續增加,因此宇宙箭矢會與熱力學箭矢同方向

回到體感時間,既然熱力學箭矢代表世界運行的方向,如果熱力學箭矢與心理學箭矢的方向相同,那我們就會看到杯子掉到地上摔破、水灑出來。但如果反過來,熱力學箭矢跟心理學箭矢反向飛行,那我們就能看到天能中的逆熵,我們會看到杯子從碎片修復、回到桌上,水也跟著回到杯子之中。

既然如此,那我們要怎麼讓這兩支箭矢反向飛行呢?遺憾的是,因為我們的這具肉身限制,要感受環境、需要外界訊號刺激,並且轉為神經訊號到大腦;要思考,神經細胞必須透過呼吸作用,取得能量來持續運作。我們的一舉一動,建立在生物與化學反應上,也因此必須遵守熱力學第二定律。如果不遵守,我們甚至無法獲得能量,生命根本無法維持。這種現象也被稱為「弱人擇原理」。

為何心理學箭矢和熱力學箭矢必須同向?因為不同向,我們就無法存在,也就無法思考這個問題。

超光速可以連接過去?

在 DC 宇宙的影視作品中,能穿越時間的閃電俠肯定是經典代表。在 DC 宇宙,透過神速力的加持,閃電俠可以突破光速,回到過去。這會發生什麼事情呢?

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根據相對論,在速度接近光速時,時間會變為相對,對於不同速度的觀察者來說,也會產生歧異。舉例來說,如果閃電俠在路上與粉絲打招呼,卻被蝙蝠俠催著去開會。無奈的他,只好與粉絲說掰掰,接著以超光速前往蝙蝠俠基地,準時趕上會議。如果粉絲這時候用望遠鏡看著這一切,他們會看到,閃電俠先跟自己說了掰掰,接著才趕上遠處的會議,而且以距離計算,閃電俠肯定超越了光速。

粉絲的時空視角:閃電俠先跟自己說了掰掰,接著才趕上遠處的會議。圖/Pansci

然而神奇的事來了,如果此時蝙蝠俠等得不耐煩,突然想回高譚市與小丑敘敘舊,他拿出了從沒有任何人知道的特製蝙蝠車,一台可以以接近光速移動的蝙蝠車,從基地離開。就在這個時候,從他的角度觀察閃電俠,他會發現,閃電俠先到達了會議室,接著才發生遠處閃電俠與粉絲說掰掰的場面。蝙蝠俠和粉絲們看到的情景大不相同,不同觀察者的時間產生歧異了。

蝙蝠俠的時空視角:閃電俠先到達了會議室,接著才發生遠處閃電俠與粉絲說掰掰的場面。圖/Pansci

甚至對於獲得高速移動能力的蝙蝠俠來說,如果他的蝙蝠車也能以超光速移動而且速度夠快,他甚至能在閃電俠到達會議室前,就先跑去正在與粉絲說掰掰的閃電俠旁邊,告訴他開會的會議結論,你不用再跑一趟了。

看來透過超光速回到過去,還真的是有可能的。但別忘了相對論施加的限制,要將物體越加速到接近光速,所需要的能量就越大。如果要將有質量的物體加速到等於光速,就需要無限大的能量。或許閃電俠的神速力確實能辦到,當然這也就代表,閃電俠或許是DC宇宙中無敵的存在了。

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顯然,沒有神速力,也不是超級英雄的我們,把自身加速到超光速來時間旅行,顯然不是一個好選項。但如果我們能扭曲時空、建立捷徑,達成超光速呢?

就算兩地相隔數公里,如果我們能將時空對折,並在中間打一個洞,創造出一個任意門,只要跨過一步就能跨越原本要走上半天的路程,不就超光速了嗎?事實上,不能超光速移動的我們,跨越時空的「蟲洞」,很有可能就是我們最後的選項。

蟲洞有辦法被製造嗎?

蟲洞的概念不只是存在於科幻小說的情節,1935 年,愛因斯坦與羅森發表一篇論文,指出根據廣義相對論的計算,在某些條件下,宇宙中可能出現連接不同時空區域的「蛀孔」,稱為愛因斯坦——羅森橋,也就是我們說的「蟲洞」。

蟲洞在地面可能的樣子。圖/wikipedia

正常來說,宇宙中的能量或有質量的物質,會在宇宙中產生如同球面的正時空曲率,產生引力。如果想要產生負時空曲率,將時空向內凹陷,創造出蟲洞,我們就需要創造出負能量或具有負質量的物質。

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那麼要怎麼做出負能量或負質量的物質呢?

接下來我們進入到腦洞大開的環節:還記得我們在量子系列第五集,介紹薛丁格的貓時提到的不確定性原理嗎?根據這個理論我們可以預測,就算在空無一物的「真空」中,其實非常熱鬧。在真空中,會不斷出現正粒子反粒子組成的虛粒子對,他們一起出現,又重新碰撞、互相湮滅,這個過程被稱為量子漲落。雖然兩種粒子會互相湮滅,但不論正、反粒子都是擁有正能量與正質量,在量子漲落的過程中,為了維持整體的能量穩定,某些地方出現正能量密度,某些地方就會出現負能量密度。以此架構延伸,我們便能在真空中設計兩塊金屬板,能透過卡西米爾效應,在兩塊金屬板中,創造出負能量的區域。而這個卡西米爾效應,也在 1996 年在實驗中被實際觀測到。

卡西米爾效應示意圖。圖/wikipedia

透過蟲洞時間旅行有可能嗎?

那麼通過蟲洞時間旅行是可能的嗎?根據後來的計算,愛因斯坦——羅森橋,也就是蟲洞的存在時間非常短,會在太空船通過之前,就塌縮成奇異點。而蟲洞的通道大小,也不足以讓任何粒子大小的物體穿過。

但霍金沒有將可能性說死,或許將來,會有技術可以撐開並維持蟲洞的存在,足以讓人類穿梭而行。或許時空旅行,將成為現實。除此之外,超弦理論也有一些說法證實蟲洞可能存在,但目前弦理論都還僅止在數學計算,還未能應用在實際現象中。

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但你說,霍金不是已經透過時間旅人派對證實,沒有時空旅人了嗎?霍金解釋,根據時間悖論問題,我們看不到時空旅人,是非常正常的。至於為何無法修改過去,產生時間悖論,有可能是當過去已被「測量」,那宇宙就不能再被更改,又或是真的有某種有形或無形的時空管理局,在維持這個世界的安全呢?

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跳脫古典數學邏輯!直覺主義的興起——《大話題:邏輯》
大家出版_96
・2023/04/08 ・1479字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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非古典邏輯:直覺主義

布勞威爾 (1881 – 1966)是最早脫離所謂「古典邏輯」系統的學者之一。他反對弗雷格和羅素將數學化約為邏輯的構想,認為數學根基於我們對某些基本數學物件(如數字和直線)的「直覺」,因此他的學說便稱為「直覺主義」。

直覺主義。圖/大話題:邏輯

惡魔論證

布勞威爾主要將焦點擺在無限集合和序列上,例如所有正數的集合和無理數(如 π 和)小數點後的數字形成的序列等等。他的論證大致如下:

我邏輯上能證明 666 這個序列一定會出現在任何無理數(如 π)的擴張裡。因為若主張 666 不在裡面,就代表 666 不出現在 π 的小數點後數字的任何地方,但這一點在數學上是無法證明的。就算世界上所有白紙都寫滿π的小數點後數字,還是有無限多的數字沒檢查到。

惡魔論證。圖/大話題:邏輯。

直覺邏輯的興起

雖然布勞威爾只想證明有些數學證明的方式和邏輯證明不同,但有些人發現他的論證也能用來證明某些數學領域的邏輯和其他數學領域不同,甚至有些人還據以建構出一套邏輯系統,並嘗試證明這套邏輯適用於所有數學領域。這套系統就叫「直覺邏輯」。

直覺邏輯系統。圖/大話題:邏輯。

直覺主義 v.s. 歸謬法

直覺邏輯有一個關鍵特點,就是不能用萊布尼茲的歸謬法。歸謬法是先假設某個數學陳述的否定為真,然後導出矛盾,進而證明該陳述為真。但要從「某事的否定為假」推導出「某事為真」就得仰賴排中律,因此在某些數學領域裡,歸謬法並不符合數學應該運作的方式,也就是從公理推導出數學語句。

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直覺邏輯與歸謬法互相對立。圖/大話題:邏輯。

直覺主義的數學熱潮

上述問題在 1930 年代引發了一波新的數學熱潮,不少學者嘗試用直覺邏輯替一些常用的基本數學陳述找到證明,也確實找到了不少。

數學系和哲學系紛紛成立,新的學術領域也隨之誕生。就連希爾伯特的方法明明是直覺邏輯的對手,也被加以改造,只使用得到認可的直覺主義程序。直到這股風潮引起了哥德爾的注意。

儘管後來學者對這場爭辯的興趣削弱了一些,但「唯有構造性證明才能確保一個陳述句為真」的基本看法至今仍然得到不少邏輯學家、數學家、科學家和哲學家支持。

許多人試著用直覺邏輯替數學陳述找證明。圖/大話題:邏輯。

處理未來陳述句的老問題

大約同一時期,波蘭數學家盧卡西維茨(1897 – 1956)1920 年提出的構想勾起了一些學者的興趣。此前十多年,這個構想從來不曾在波蘭以外的地區引起多大反應。盧卡西維茨當時想解決的,是從亞里斯多德到羅素都面對過的老問題。

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編按:「如何判斷大笨鐘一千年後會遇上大雪」這句話的真值?

未來陳述句是邏輯無法確認之事。圖/大話題:邏輯。

——本文摘自《大話題:邏輯》,2023 年 3 月,大家出版出版,未經同意請勿轉載。

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名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。

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白馬 ≠ 馬?當陳述句變成數學邏輯等式!——《大話題:邏輯》
大家出版_96
・2023/04/07 ・2243字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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從簡單陳述句轉變為複合句——「連接詞」

大約一百年後,克律西波斯(c.280 – c.206 BC)改變了邏輯的關注焦點,從簡單的主述詞陳述句轉向「蘇格拉底是人,且芝諾也是人」之類的複合句。

這是很大的進展。當時甚至有人說「克律西波斯的邏輯就是神會用的邏輯」。我們稍後會見到,克律西波斯的邏輯也是人類使用的邏輯,只不過我們還得等兩千年才會明白這一點。

複合句使用的連接詞不同,其真假受個別句子影響的方式也不同。

出現了「且」、「和」等連接詞。圖/大話題:邏輯。

譬如「不是…就是…」這個連接詞組可以這樣用,也只有「不是…就是…」這個連接詞組可以這樣用:

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編按:「不是」穆罕默德到山那邊,「就是」山到穆罕默德這邊。

其後一千五百年甚至更久,克律西波斯沒有對邏輯留下多少影響。不僅因為他的作品失傳了,只留下他人的轉述,也因為亞里斯多德成了天主教會的心頭好。

「不是」;「就是」的應用。圖/大話題:邏輯。

萊布尼茲定律

接下來兩千年,邏輯學家建構出愈來愈多三段論,有些甚至前提不只兩個。這些邏輯學家就像煉金術士,拿著概念拼拼湊湊,想辦法生出有效論證。最後有一個人在這股狂熱當中想出了方法,那人就是萊布尼茲(1646 – 1716)。

萊布尼茲想到的方法是將陳述句看成代數裡的等式。等式使用等號(=)來表達式子兩邊數值相等。

例如:x2 + y2 = z2

萊布尼茲將等號帶進邏輯裡,用來指稱 a 和 b 等同。

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萊布尼茲定律的陳述句。圖/大話題:邏輯。

自此之後,這個等同式就叫做「萊布尼茲定律」。萊布尼茲將 a = b 拆成兩個不可分割的述句「a 是 b」和「b 是 a」,意思是「所有 a 都是 b」和「所有 b 都是 a」。

例如:「所有單身漢都是沒結婚的男人,且所有沒結婚的男人都是單身漢。」

若 a 和 b 等同,那麼陳述句裡的 a 就算換成 b,這個陳述句的真假顯然不會隨之改變。例如,「蘇格拉底是沒結婚的男人,沒結婚的男人是單身漢,因此蘇格拉底是單身漢」。

這個定律很重要,因為有了它,我們就能以有限多的步驟來判斷近乎無限多的句子的真值。萊布尼茲使用的步驟數是四個。

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陳述句中的等同式。圖/大話題:邏輯。

1. a = a

例:「蘇格拉底是蘇格拉底。」

2. 若 a 是 b,且 b 是 c,則 a 是 c

例:「所有人都會死,蘇格拉底是人,所以蘇格拉底會死。」

說「a 是 b」就等於說「所有 a 都是 b」。

3. a =非(非 a)

例:「如果蘇格拉底會死,則蘇格拉底不是不會死的。」

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4. a 是 b = 非 b 是非 a

例:「蘇格拉底是人,意思是如果你不是人,你就不是蘇格拉底。」

利用這四個簡單的法則,萊布尼茲就能證明所有可能出現的三段論。比起亞里斯多德的四角對當,這才是人類史上第一個真正的真理理論,因為它使用事先定下的法則,藉由代換等同的符號(同義詞)來導出結論。

非真即假的歸謬法

萊布尼茲最常用的證明方法是一個極為重要的邏輯工具,深受後世邏輯學家和哲學家喜愛。他稱呼這個方法為歸謬法。

這個工具很簡單,卻好用得驚人,自萊布尼茲發明以來便廣獲使用。我們用一個例子來講最清楚。

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檢驗「打籃球」得陳述句是否為真?圖/大話題:邏輯。

使用歸謬法時,我們先假設要檢驗的那個陳述句為真,再看它能導出哪些結論。如果導出的結論互相矛盾,我們就知道那個陳述句是假的,因為矛盾永遠為假。

歸謬法有一大好處,那就是即使我們不知道如何證明,也能判斷一個陳述句的真假;只要證明這個陳述句的否定會導出矛盾,就知道它是真的了。

歸謬法僅用真假二分,但卻沒有提出證明。圖/大話題:邏輯.

新工具

「我發明的這個工具完全使用理性,是裁決爭議的判官、解釋概念的權威、衡量可能性的天平、指引我們穿越經驗之海的指南針,是萬物的清單、思想的表格、檢視事物的顯微鏡、預測遙遠事物的望遠鏡、通用的演算法、不使詐的魔術、不空妄的計謀,也是人人都能用自己的語言閱讀,所及之處皆會帶來真宗教的經文。」

萊布尼茲致信漢諾威公爵,1679 年

不難想見,天主教會將萊布尼茲視為異端。但「思想有其必然法則」的想法卻對西方哲學家產生了深遠的影響,包括康德、黑格爾、馬克思和羅素。

萊布尼茲的思想影響到後世許多西方哲學家。圖/大話題:邏輯。

——本文摘自《大話題:邏輯》,2023 年 3 月,大家出版出版,未經同意請勿轉載。

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