諾獎得主維爾切克獨家專欄：不懂科學的古人，如何指引我們開拓新物理

序言

弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)教授是美國理論物理學家和數學家。由於揭示了強相互作用中的漸近自由，他和戴維·格羅斯 (David Gross)、戴維·波利策(H.David Politzer)共同獲得了2004年諾貝爾物理學獎。作為當今最傑出的物理學家之一，維爾切克教授的研究興趣異常廣泛，除了在粒子物理，他在凝聚態物理學和天體物理學方面也作出過非常重要的貢獻。

維爾切克教授對音樂、美術、詩歌等藝術也有著深刻的了解，對加深科學與藝術之間的交融有很大的熱忱。他非常樂於向大眾介紹物理的美和成就，寫過很多科普文章，出版了多本科普書籍。他最新的一本科普書是A Beautiful Question：Finding Nature』s Deep Design，即將被翻譯成中文。

自2015年7月開始，維爾切克教授開始在《華爾街日報》（Wall Street Journal）撰寫專欄文章，和大眾交流自己在科學、藝術、教育等方面的見聞、感受和思考。經維爾切克教授同意，譯者將其翻譯成漢語，於2016年3月開始在一些新媒體渠道，以Wilczek專欄的形式發表，與中國讀者共享。為了讓專欄更穩定地與更多讀者見面，經維爾切克教授同意，在《環球科學》上以「時間晶體」為專欄名，連續刊載他所寫的專欄文章，每月一篇。本文即是該專欄的第一篇。

專欄之所以冠以「時間晶體」的名稱，是因為在5年前，維爾切克教授預言了時間晶體的存在，開創了一個新的領域，而最近這個預言被實驗證實，故借「時間晶體」之名，以示紀念。

——專欄譯者 吳飆（北京大學物理學院教授）、胡穎（山西大學激光光譜研究所教授）

第一回 | 先哲們的時間觀

撰文?| 弗蘭克·維爾切克

翻譯?| 吳飆 胡穎

我剛上大學時，想立刻就全身心地投入科學與數學的學習。但芝加哥大學卻一定要對我進行文化的熏陶，我不得不選了很多古代哲學方面的課程。柏拉圖、亞里士多德等先哲給我留下了深刻的印象。長遠來看，他們甚至為我的物理學研究提供了助力。

誠然，古代哲學家對物理學和整個科學領域的認知是天真的，甚至充滿錯誤。以現代的標準來看，他們對科學幾乎什麼都不懂。但他們問了很多根本性的問題，並且進行了嚴肅的討論。如果你想擺脫常規思維的束縛，那麼這些古代的哲學家將會是你靈感的源泉：在追尋知識的最前沿，他們顛覆性，同時又充滿孩子氣的問題將會指引你進入新的疆域。

「什麼是時間？」奧古斯丁在《懺悔錄》中問道，「我不知道。但如果沒有事物流逝，就無所謂過去；如果沒有事物到來，也就不存在未來。既然過去已經不存在，將來又尚未到來，那麼過去和將來這兩個時間又是如何存在的呢？」事實上，在剛過去的20世紀中，物理學家一直想回答奧古斯丁的這個問題。

愛因斯坦是古希臘哲學的推崇者。在他寫下令他舉世聞名的論文之前，他和他的朋友們曾經組成一個小社團，在一起討論哲學、文學和科學等問題，他們開玩笑地將之命名為「奧林匹亞學院」。1947年，《紐約客》的記者報導愛因斯坦時寫道：「他堅持每晚給他患病的妹妹瑪雅讀一小時的古希臘著作，即使他工作了一天之後，已經非常疲憊了。」愛因斯坦曾說：「一個受過教育的人怎麼可以遠離古希臘人呢？我對他們的興趣從來都遠甚於科學。」

在創立狹義相對論時，愛因斯坦意識到，如果要解釋光速不變這個佯謬，即光速相對於所有運動的觀察者都是個常數，他需要將一個哲學性的問題「時間是什麼？」變成一個可操作的實際問題，即「我們怎麼才能測量時間？」通過對這個問題的分析，愛因斯坦發現，相對運動的不同觀察者會得到不同的時間定義。

在日常生活中，我們能體會到過去與將來的巨大不同。我們記得過去但只能預測將來：過去的已經過去，將來的即將展開。如果倒著放一部普通電影，電影的內容將顯得不真實。例如，人們不可能在倒車時開得那麼快、那麼猛，尤其是眼睛同時還看著前方。但是物理的基本原理並沒有把過去和將來區別對待：無論在時間上往前還是倒退，這些基本原理同樣準確（除了一些小的例外）。

那麼，為什麼過去和未來是等同的呢？儘管物理學家已經在這個問題的探索之路上取得了極大的成功，他們仍然希望能在實驗中發現一種特別的新粒子——軸子，來為整個故事圓滿收尾。軸子可以消除過去與未來之間可能存在的不對稱。

與此相反的問題同樣深刻：既然物理定律不區分過去與未來，那麼為什麼我們的這個世界有過去和未來的差別？至少我們的感覺是這樣的。對此的理論解釋大多是基於從有序到無序這個不可阻擋的演化趨勢。製造混亂總是比收拾整潔來得容易。對這個現象的精確表述就是熱力學第二定律，即一個孤立系統的熵總是隨時間增加。而這個增加的趨勢使得我們可以區分過去與未來。

秩序的「孤島」當然會極力抵禦無序的破壞，而我們人類就致力於發現這些秩序。我們喜歡在現在的生活中搜尋過去的痕迹，無論是殘存的遺物還是記憶。物理學家在探索宇宙時也是如此。我們或許可以把這些工作叫作宇宙取證分析（cosmic forensic）。通過這些工作，我們已經找到了宇宙起源於大爆炸的證據。

如今的科學家掌握了很多強大的工具，但是最根本的發現仍然源於那些基本的、「天真」的問題。奧古斯丁大膽地問出：「什麼是過去？」愛因斯坦教我們把這個問題變為：「我們怎樣測量過去？」在量子世界中，這是個尖銳的問題——也是讓我現在為之著迷的問題，因為測量是個破壞性的過程，會破壞被測量的量子態。

再一次地，先哲們指引我們前往未曾開墾的知識沃土。

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