为什么时间无法回头?

2021-04-08 22:54人已围观

第一种观点认为,时间和空间、质量一样,是宇宙真实存在的基本特征,它为事件的发生提供了框架。第二种观点认为,运动是宇宙的基本特征,时间来源于我们描述这些运动的精神活动。

时间是永恒的话题。古往今来,人们从未停止对时间的探索。几点了?时间是真实的还是我们的幻觉?时间的起点在哪里,它将如何结束?只有科学的发展才能告诉我们真正的答案。

几点了?从古代哲学家到现代科学家,都在苦苦思索这个问题。然而,经过几千年的思考和科学进步,人们对其本质仍然没有共识。时间不可避免地与锻炼联系在一起。从这个角度来看,人们得到了两种完全相反的时间观。

第一种观点认为,时间和空间、质量一样,是宇宙真实存在的基本特征,为事件的发生提供了框架。牛顿正是持这种观点。在他看来,量化运动时必须考虑时间。只有这样,我们才能准确地测量一个物体移动的距离和速度。爱因斯坦抛弃了空间和时间独立存在的观点,证明了时间流逝的速度取决于观察者的速度和作用于其上的引力的强度。他把两者看作一个整体,称之为时间和空间,并进一步提出“时间只是一种顽固而持久的幻觉”。但是,物理学家认为,时间和空间可以为测量宇宙提供有用的参考,所以这是一件有意义的事情。

第二种观点认为,运动是宇宙的基本特征,时间来源于我们描述这些运动的精神活动。牛顿的主要竞争对手莱布尼茨赞成这种解释。——时间不是真实的,而是在我们的大脑中创造的。那么,时间是真实的吗?物理学家和哲学家仍然争论不休。

另一个困扰我们的问题是,如果时间是真实的,它从哪里开始?一直以来,大多数物理学家都假设时间起源于BIGBANG。任何认为宇宙大爆炸之前就存在时间的观点都被认为是不恰当的。然而,现在他们不那么确定了。正是弦理论导致了这种反思。根据这个理论,我们的宇宙是从另一个宇宙诞生的,所以时间在我们的BIGBANG之前就存在了,前一个宇宙甚至可能在我们的宇宙中留下一些痕迹。

2008年,加州理工学院的肖恩卡罗尔和他的同事提出,大爆炸辐射残留物中的特征可能是早期宇宙的信号。2010年,英国牛津大学的roger penrose和亚美尼亚埃里温国立大学的Vah Guzadya进一步指出,微波背景辐射中的圆形特征是一系列早期宇宙和大爆炸的证据。欧洲航天局的普朗克卫星正在对宇宙微波背景辐射进行深入探索,科学家们将通过它获得的数据来检验这些想法。在答案最终出现之前,我们将不得不面对我们对时间起点的无知。

所以:为什么时间一去不复返了?

与空间不同,时间只有一个方向,——,从过去流向未来,永不回头。那么,时间之箭从哪里开始呢?一条重要的线索来自于大量粒子的复杂相互作用。对于任何宏观系统,比如一滩水或者一个冰晶,物理学家都可以用熵来描述。熵反映了系统中组成粒子在不改变其整体外观的情况下可以重组的方式。水池中的水分子可以有多种排列方式,这使得它成为一个高熵系统。但是冰晶必须以非常精确的方式排列,重组的方式很少,所以熵低。

从统计上来说,因为形成的途径多,高熵系统的可能性总是比低熵系统高。这就诞生了物理学的强大支柱:热力学第二定律。根据这个定律,宇宙的熵永远不会下降。你可能会想,时间之箭是有钥匙的。从低熵到高熵的不断变化,正是我们从过去传递到未来的感觉。可惜热力学第二定律并没有真正解决时间之箭的问题。只是说高熵态比低熵态更容易出现,并没有说5分钟后世界的熵会比5分钟前高。

所以,解释时间之箭的唯一方法,就是假设宇宙刚刚以极小的概率开始处于低熵状态。如果不是这样,时间就会变得凝固,什么有趣的事(比如我们)都不会发生。

事实上,观测证明宇宙确实是从低熵状态开始的。BIGBANG留下的辐射提供了宇宙婴儿期的快照。它表明,在时间开始后不久,物质和辐射就极其均匀地分布在整个宇宙中。乍一看,它像一个高熵系统,但如果把引力包含在内,就可以发现事实并非如此。引力总是使物质聚集在一起,所以在引力主导的系统中,黑洞是更可能出现的状态,比均匀分布的状态更可能出现熵更高的状态。

既然一个均匀的低熵态是极其不可能的,那么我们是如何得到这种运气的呢?宇宙学家对此的解释是:在时间开始后的那一刻,宇宙经历了短暂但剧烈的膨胀期,这种膨胀期被称为“膨胀期”,像拉橡皮膜一样拉伸空间,抚平任何不均匀。然而问题又出现了。被称为“膨胀场”的场驱动着膨胀以正确的方式处理我们的宇宙,但它也是低熵的。这怎么解释?

一种可能是通货膨胀不止一次发生。举个例子,膨胀场是从一个混沌的高熵态——开始的,很有可能会随着地点的不同而变化。产生我们统一宇宙和时间之箭的低熵膨胀,只是一个较大的高熵场引发的随机现象。这个领域的某些部分有适合诞生类似于我们的宇宙的条件,而另一些部分则不适合生命的存在或其他宇宙的形成。

事实上,膨胀场的物理学研究证明,它会创造更多的宇宙,必然导致无限的多元宇宙。至此,很多线索都汇聚到了多元宇宙上,很多宇宙学家开始认真对待这个想法。多元宇宙中,有的宇宙有时间之箭,有的没有。前者是唯一一种可以形成生命的宇宙,而我们就出现在这种宇宙中。

虽然多元宇宙可以解释时间之箭,但很多谜题依然存在。比如热力学第二定律如何与宇宙的量子性质相容?为什么人脑只知道过去,不知道未来?在未来,物理学家将有希望解开这些关于时间的谜团。

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