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時間也有生老病死!關於這一點,愛因斯坦都犯過錯誤

子在川上曰,逝者如斯夫,不舍晝夜。


時間就是那條奔流不息的大河,從"過去"流經"現在",不作片刻停留,便又朝著"未來"滾滾而去。這大概是早在文明啟蒙之初,人們就已經明白的常識。


彷彿冥冥之中有這樣一口時間之鐘,我行我素地滴答作響,不受外界任何打擾,既沒有開端,也不會終結。


而世間的萬物,從誕生到興盛,從衰敗到消亡,再到下一次可能的重生,都在時間之鐘的滴答聲中,遵循著統一的步調翩翩起舞。從這個意義上說,時間也是這個世界上最慷慨、最公平的東西。不論榮華富貴還是一貧如洗,也不論身強力壯還是老弱病殘,從日出到日落,再到下一次日出,每一個人分配到的時間,都是一樣多的。


問題是,果真如此嗎?針對這一點,偉大的科學家愛因斯坦據(《科學美國人》專欄作家史蒂夫·米爾斯基)說曾"親身"做過一項有趣的實驗。

時間也有生老病死!關於這一點,愛因斯坦都犯過錯誤

【為了感受時間的"相對性",愛因斯坦用自己的身體做了一項有趣的實驗。】


親測"相對論"


1938年,愛因斯坦通過好朋友、喜劇大師卓別琳,約到了卓別琳當時的妻子、好萊塢女星波萊特·戈達德。


在後來發表於《熱科學與技術學報》(JEST)上的實驗報告中,愛因斯坦寫道:"我坐火車到紐約與戈達德小姐在中央火車站的"大蚝酒吧"見面。她十分明艷動人。我覺得似乎過了1分鐘時看了看手錶,發現實際上已經過了57分鐘,我將它四捨五入成1小時。"


回到家後,愛因斯坦找來一台鬆餅機,插上電讓機器加熱,然後一屁股坐了上去。"我覺得似乎過了1小時的時候,站起來看了看手錶,發現實際上才過了不到1秒鐘。為了讓兩種情況下所用的單位保持一致,我將它算成1分鐘。"當然,接下來,他第一時間給醫生打了電話。


這個活生生的例子說明,就算分配給每個人的時間都一樣多,處在完全不同的情境之下,人們對時間流逝的主觀感受也可能截然不同。


"一個男人與美女對坐1小時,會覺得似乎只過了1分鐘;但如果讓他坐在熱火爐上1分鐘,會覺得似乎過了不止1小時,"用愛因斯坦的話來說,"這就是相對論。"


相對論是上世紀頭20年里愛因斯坦開創的偉大理論,分為狹義相對論和廣義相對論。近百年來,這兩個理論經受住了最嚴格的實驗檢驗。當然,愛因斯坦做過的這個實驗並不包括在內。


主觀感受不能很好地描述客觀現實,要精確測量實際的時間流逝,必須藉助精密儀器才行。

在愛因斯坦的那個實驗中,精密儀器就是他的手錶。如果按照手錶上指針的走動來計時,不論是與美女對坐,還是一屁股坐在火鍋上,時間流逝的速度都應該是一致的。


愛因斯坦舉這個例子,只是為了形象地解釋時間也有相對性。然而,考慮到真正的相對論,即便是能夠忠實記錄時間流逝的理想儀器(不妨稱之為"時鐘"),也會出現不合拍的節奏。


時間也有生老病死!關於這一點,愛因斯坦都犯過錯誤


【愛因斯坦的相對論,打破了時間整齊劃一的假象。統一的時間已經不復存在,只剩下各自為政的時間碎片了。】


破碎的時間


舉例來說,按照狹義相對論,只要你和我之間存在相對運動,時間在你和我身上流逝的速度就會有所不同。在你看來,我的時鐘上指針轉動的速度變慢了;同樣,我也會看到你的時鐘走慢了。當然,由於運動而產生的時間流逝變慢現象,只有在速度接近光速時才會表現明顯。


早在1941年,物理學家布魯諾·羅西和D·B·霍爾就在一種被稱為μ子的微觀粒子身上,觀察到了這種現象。


μ子極其短命,在靜止狀態下,平均每2.197微秒,就會有半數μ子衰變成其他東西——這個時間被稱為"半衰期"。


然而,來自宇宙的高能粒子闖入地球大氣時形成的μ子,速度超過光速的99%。


兩位物理學家發現,這些μ子的半衰期大約是靜止μ子的10倍。換句話說,這些接近光速運動的μ子,"壽命"被大大延長了。

如果把廣義相對論也考慮進來,情況只會變得更加複雜。


廣義相對論預言,物質本身就會影響時間的流逝——因為質量會產生引力,而引力會使時鐘變慢。


舉例來說,同樣是在地球上,海拔越高,地球引力就會越弱。因此,海平面上的時鐘走得就會比世界最高峰——珠穆朗瑪峰頂上的時鐘稍慢一些,每秒鐘要慢大約萬億分之一秒。


儘管效應微弱,但在越來越精密的時間測量儀器的幫助下,不論是由相對運動還是由引力導致的時間變慢現象,都一次又一次得到了越來越精準的驗證。


2010年,美國國家標準技術研究院的周欽文及其同事,甚至觀察到了每秒10米的相對速度和區區1米的高度落差帶來的時鐘變慢效應。


事實上,如今幾乎人人都會用到的GPS全球定位系統,必須針對相對論預言的時間變慢效應加以修正,否則根本就達不到如此精準的定位精度。


至此,時間已經不再是整齊劃一統馭萬物生老病死的唯一節律,而是被相對運動和物質引力攪成了一盤散沙,在不同角落裡各自為政,甚至連步調都未必一致。


那口遊離於世間萬物之外、自顧自滴答作響的時間之鐘,已然不復存在了。


然而,相對論,特別是廣義相對論,給時間帶來的打擊,還遠不止如此。


時間也有生老病死!關於這一點,愛因斯坦都犯過錯誤

【根據廣義相對論及多項宇宙學觀測數據,我們的宇宙始於發生在138億年前的一場大爆炸,時間也是從那一時刻開始出現的。】


時間也有起點


廣義相對論描述的,是物質本身如何與時空結構發生相互作用——換句話說,它描述的是萬有引力。


萬有引力是大尺度上統治整個宇宙的力量——至少在1915年愛因斯坦提出廣義相對論時,這是科學界的共識。很快,愛因斯坦就把自己的理論應用到了整個宇宙,用來推演宇宙整體上的變化。


結果,廣義相對論推斷,宇宙要麼膨脹,要麼收縮,無法維持在一個狀態上恆定不變。


這個結論其實很符合邏輯,既然世間萬物都在相互吸引,它們必定會越靠越近,除非它們原本是在向外擴散。但愛因斯坦本人一時間無法接受這一點,他當時的觀點根深蒂固:宇宙一直就是這個樣子,無始無終地永恆存在著。他在自己的宇宙學方程中,人為添加了一個常數,在大尺度上產生出了某種斥力。


於是,愛因斯坦如願以償,"構建"起了一個似乎可以穩定存在的宇宙。


大約10年之後,天文學家埃德溫·哈勃發現,宇宙中絕大多數星系都在離我們而去,而且距離越遠速度就越快。這些觀測事實證明,宇宙確實正在膨脹!


此時,愛因斯坦才追悔莫及,把自己手賤添加到方程里的那個常數稱為一生中犯過的"最大的錯誤",讓他錯失了從理論上預言宇宙膨脹的絕佳良機。


或許,最根本的原因,不在於愛因斯坦對自己的理論信心不足,而是他不願意麵對宇宙膨脹的深遠影響。因為,膨脹意味著宇宙有一個開端,也意味著時間有一個起點。

如果逆著時間流逝的方向倒推回去,宇宙中的物質會越靠越近,密度越來越大,溫度也越來越高。最終,按照廣義相對論的預言,一切物質都將被濃縮到一點,密度無限大,溫度也無限高。


當然,無限大在物理學中似乎並無意義,或許只是表明環境極端到了連廣義相對論都無力描述的地步。


無論如何,到這個點為止,時間便無法再進一步向前追溯了。這便是世間萬物的共同源點,包括時間和空間在內。


根據天文學家最新的觀測數據,從這個點爆開,也就是大爆炸至今,時間已經走過了138.2億年。那麼,在大爆炸之前,時間又流逝過多久呢?


時間流逝了多久,需要用時鐘來衡量——因為正如前面提到的那樣,遊離於世間萬物之外的時間已經不存在了。這裡的時鐘,可以是鐘擺左右往複的擺動,可以是地球日復一日的自轉,可以是光子在兩面鏡子之間不停的反射,也可以是原子核中電子在不同能級間躍遷而產生的光子的頻率。


總之,一切能夠標示出固定時間間隔的東西,都可以拿來充當時鐘。


然而,按照物理學家羅傑·彭羅斯在《時間的循環》一書中的說法,直到大爆炸後大約10微秒,質子和中子才會在宇宙中形成——在此之前,宇宙中完全不存在任何結構,沒有任何東西可以拿來起到時鐘的作用。


那麼,時間流逝了多久,又有什麼意義呢?


如果時間就是時鐘測量的那個東西,而時鐘又根本不存在,那麼時間也就不存在。從這個意義上講,大爆炸根本就無所謂"之前",因為連時鐘本身都是大爆炸之後才出現的。時間就始於大爆炸。


時間也有生老病死!關於這一點,愛因斯坦都犯過錯誤

【如果宇宙繼續以現在的趨勢加速膨脹下去,總有一天,所有結構,甚至連原子都會被宇宙膨脹給撕碎,時間也將不復存在了。】


時間的末日


對於世間萬物來說,凡事有開端,就必有終結。那麼,時間會不會有一天也終結呢?


時間的命運似乎跟宇宙的命運息息相關,而宇宙的命運,根據廣義相對論,似乎取決於宇宙中到底有多少物質。


如果宇宙中有足夠多的物質,它們施加的萬有引力說不定最終能夠逆轉宇宙膨脹的趨勢。


在這種情況下,總有一天,宇宙會由膨脹轉為坍縮,最終重新回到大爆炸起點那種無法描述的狀態之中,時鐘徹底消失,時間也就失去了意義。


人們曾認為,這種情況很有可能發生,甚至有人提出:最終坍縮成的那個點,或許不知多少歲月之後,又會重啟新一輪的大爆炸。


宇宙就這樣,在不斷循環的大爆炸和大坍縮之間輪迴。


從這個角度上說,大爆炸"之前"彷彿又有了些許意義,因為儘管無法衡量之前到底有多久,但畢竟是先前的大坍縮造就了這一輪的大爆炸。


於是,在上世紀末,兩個國際天文學研究團隊展開了一場競賽,通過觀測一類特殊的超新星,試圖測量宇宙膨脹逐漸變慢的步伐。結果大大出乎了他們的預料——宇宙膨脹的速度非但沒有變慢,反而還越來越快了!

必定有什麼未知的成分在推動著宇宙加速膨脹,天文學家稱它為"暗能量"。


當年被愛因斯坦人為加進方程的所謂"最大的錯誤",也就是那個能夠產生排斥力的常數項,如今正是暗能量最有力的候選者之一。真不知道愛因斯坦如果泉下有知,又該作何感想。


如果宇宙以現在這個趨勢加速膨脹下去的話,大坍縮就肯定不會發生了,取而代之的將是大沉寂。宇宙永遠膨脹下去,變得越來越空曠,越來越昏暗。


儘管時間永遠不會終結,但它會變得越來越沒有意義。


宇宙會遭遇"熱寂"——這是一種平衡狀態,其中發生的任何過程都會很快復原。到時候,過去和未來的分界將不會像現在這樣明確,時鐘也會越來越模糊不清。


如果暗能量不是常數,而像某些假說那樣會隨時間以指數形式增長,它就會推動宇宙進入無限膨脹的模式,最後就連原子都會被扯碎,從而終結時間。


這種情況被稱為"大撕裂"。按照某些模型的預言,這種時間末日距離現在還有大約200億年。

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或許值得慶幸的是,對於生活在地球上的我們而言,儘管日常生活中需要對各自為政的時間碎片作一些小小的修正,但至少,時間應該還不至於在我們的有生之年內終結。

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