《信條》背後的真實科學問題:我們能否逆時間而行?

上個周末,由克里斯托弗·諾蘭(Christopher Nolan)執導的科幻電影《信條》上映,這個以「時間倒流」為主題的故事或許將會成為近年來最深奧難懂的電影之一。拋去影片觀賞性不談,這部電影將一個被物理學家探討了一個多世紀的科學問題帶到了我們面前:

物理學的觀點認為,一切基本定則都應該是對稱的,描述宇宙種種變化過程的微觀物理法則並不區分過去與未來。但現實世界中,我們感覺到的時間只向着未來這一個方向前進。這是為什麼?

解釋時間箭頭必須回溯到大爆炸之前,探究宇宙的「史前歷史」。我們的宇宙也許是一個大得多的多重宇宙的一部分。作為一個整體,多重宇宙是時間對稱的。在其他宇宙中,時間也許會倒流。

《信條》背後的真實科學問題:我們能否逆時間而行?

圖片來源:pinterest

Emoclew dna olleh

「Emoclew dna olleh」——2007 年 10 月,紐約科學院召開的一場學術會議上,美國哥倫比亞大學的弦論專家布萊恩·格林(Brian Greene)以此作為開幕詞。接着他解釋說:「如果你明白這是在倒着說『Hello and welcome』(你好,歡迎),大概你就沒必要出席這場會議了。」

但是,場內眾多世界頂尖理論物理學家和宇宙學家,沒有一個人離開。他們聚集一堂,就是為了挑戰時間的奧秘。

表面上看起來,時間很平凡,就像一條單行道:打碎的雞蛋不會恢復原樣,眼角的魚尾紋不會自動消失(前提是沒有注射肉毒桿菌除皺),你的祖父祖母也永遠不會比你年輕。但是宇宙的基本定則似乎都表現出時間對稱性,這意味着它們不受時間流向的影響。從物理學的觀點來看,過去、現在和將來都是同時發生的。

過去一個多世紀里,物理學家已經針對這個明顯與事實矛盾的問題,提出了不計其數的解釋,從心理學(時間流動是個幻覺)到物理學(量子力學的一些未知特性可以調和這一矛盾),應有盡有。但是,沒有一個解釋能讓人滿意。1927 年,天體物理學亞瑟·愛丁頓爵士(Sir Arthur Eddington)將時間的單向性凝煉成一個術語——「時間箭頭」(time』s arrow),並把它和熵聯系起來:隨着宇宙越來越老,它會遵從熱力學第二定律,變得越來越無序。

但科學家無法解釋,為什麼有序存在於過去,而無序出現在未來。大約 140 億年前,宇宙被認為是有序的,它的溫度之高、密度之大,遠遠超過恆星內部的極端環境;隨着空間結構的膨脹,宇宙逐漸冷卻,物質也日益稀薄,一步步走向無序。一些學者認為,「如果能夠接受我們生活的宇宙只是眾多可能的平行宇宙的其中之一,多重宇宙就是最為合理的解釋。」那些一開始就更加混亂的宇宙,也許無法維持或演化到足以產生智慧生命的地步。因此,從這個意義上講,時間的單向流動,甚至包括我們自身的存在,都只是一個巧合。

熵之謎

物理學家把時間不對稱性的概念融入到著名的熱力學第二定律之中,該定律可以表述為:一個封閉系統的熵(entropy)永遠不會減小。大體上說,熵可以度量一個系統的混亂程度。19 世紀,奧地利物理學家路德維格·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)用物體的微觀狀態與宏觀狀態間的差異來解釋熵。如果讓你描述一杯咖啡,你提到的很可能就是它的宏觀狀態,比如溫度、壓強和其他整體性質;而微觀狀態是指這杯咖啡中每一個原子的確切位置和速度。任何一種宏觀狀態,都有許多微觀狀態與之對應:我們可以把一個原子挪來挪去,沒有人會在宏觀尺度上注意到這些變化。

熵是對應於同一種宏觀狀態的不同微觀狀態的數目。(確切地說,熵是這一數目的對數。)因此對於一定數目的原子來說,讓它們排列成高熵狀態要比排列成低熵狀態更容易,因為前者的排列方式更多。設想把牛奶倒入咖啡中。讓牛奶和咖啡充分混合的分子排布方式難以盡數,而讓牛奶與周圍的咖啡涇渭分明的分子排布方式相對來說就少得多。因此兩者充分混合時,系統的熵更高。

從這個觀點出發,熵趨向於隨時間增長也就不足為奇了。系統的任何一種改變都相當於重新選擇微觀狀態,而高熵狀態的數量遠遠超過低熵狀態,因此隨機選中低熵狀態的可能性低得可以忽略不計,系統幾乎總是會選中某一高熵狀態。這就是牛奶和咖啡可以混合,混合後卻不會自然分離的原因。盡管從物理上說,所有的牛奶分子可能自發聚集排列在一起,但從統計上講,這種可能性幾乎為零。如果你想等分子的隨機運動碰巧使牛奶和咖啡彼此分離,等待的時間往往比可觀測宇宙目前的年齡還要久。時間箭頭僅僅是系統向某個數量更多、更自然的高熵狀態演化的趨勢而已。

不過,解釋低熵狀態為什麼會向高熵狀態演化是一回事,解釋我們宇宙中的熵為什麼會增長卻是另外一回事。問題依然存在:為什麼宇宙形成之初熵很低?由於低熵狀態十分罕見,這一點也就顯得極不正常。即便承認我們的宇宙今天仍處於中熵狀態,也無法解釋為什麼過去的熵比現在更低。多種不同的初始狀態都可以演化出類似的宇宙,其中高熵初始狀態占據了絕大多數,遠遠壓倒了低熵初始狀態。

換句話說,真正的挑戰不在於解釋宇宙的熵為什麼明天比今天高,而在於解釋為什麼昨天比今天低,而前天又比昨天更低。我們可以遵循這種邏輯一直逆推到可觀測宇宙的時間開端。因此,時間的不對稱性最終是一個需要用宇宙學來解答的問題。

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圖片來源: Michigan State University

過去VS未來

宇宙起始於一個熵極低的狀態,所有粒子都均勻擠壓在一起。隨着宇宙的演化,它會經歷中熵狀態,也就是我們觀察到的、恆星和星系成團分布的現狀。最終,宇宙將達到高熵狀態:空間中幾乎空無一物,偶爾才會有低能粒子在其中游盪。

為什麼過去和未來如此不同?僅僅提出一個關於初始條件的理論,人為給出一個讓宇宙始於低熵狀態的理由是不夠的。正如澳大利亞悉尼大學哲學家胡·普賴斯(Huw Price)指出的,適用於初始狀態的任何推理過程都應該同樣適用於最終狀態,否則就等於事先假定了我們想要證明的結論,即「過去」確實很特別。因此我們只剩下兩條路可以選擇,要麼把高深莫測的時間不對稱性視為宇宙無法解釋的一個固有特性,要麼就必須對時空的運轉方式做更加深入的研究。

許多宇宙學家試圖將時間的不對稱性歸咎於宇宙暴漲(inflation)。暴漲可以漂亮地解釋宇宙的許多基本特徵。按照這種想法,充斥在極早期宇宙(或極早期宇宙一部分)之中的並不是粒子,而是另一種存在時間極短的暗能量,它的能量密度比今天我們觀測到的暗能量要高得多。這種所謂的超緻密暗能量導致宇宙在短時間內以超乎想象的速度膨脹(即暴漲),隨後衰變為物質和輻射,只留下少許暗能量,直到今天才重新變得舉足輕重。接下來的故事就像大爆炸理論所描述的那樣,均勻平滑的原始氣體演變成恆星和星系,成為了我們觀測到的宇宙。

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大爆炸理論和暴漲模型示意圖。圖片來源:NASA/WMAP

暴漲模型在好幾個方面都大獲成功。它預言宇宙中物質分布並非完全均勻,存在着極小的偏差,這與我們觀測到的宇宙物質密度漲落完全相符。不過,越來越多的宇宙學家認為,用暴漲來解釋時間的不對稱性,其實是偷換概念;英國牛津大學的羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)等人就強調:為了讓暴漲過程能夠像預期那樣發生,超緻密暗能量最初必須處於一種非常特殊的狀態。事實上,這種暗能量的熵必須比後來由它衰變而成的熾熱、緻密氣體低得多。這意味着,暴漲實際上沒有解決任何問題:為了「解釋」一種異常低熵狀態(一團熾熱、緻密、分布均勻的氣體),它必須求助於另一種熵更低的初始狀態(一小塊被緻密暗能量占據的空間)。我們只不過把這個謎題向前又推進了一步,現在的問題是:為什麼暴漲會發生?

不少宇宙學家認為暴漲能夠解釋時間的不對稱性,理由之一就是暗能量的那種特殊初始狀態出現的可能性似乎不低。在暴漲發生之初,我們的可觀測宇宙直徑還不到 1 厘米。從直覺上判斷,這麼小的區域好像不會有太多微觀狀態,因此宇宙隨機陷入某種對應於暴漲的微觀狀態似乎也沒有那麼不可思議。

可惜,這種直覺是錯誤的。就算早期宇宙只有 1 厘米寬,它所擁有的微觀狀態數量也與今天整個可觀測宇宙的微觀狀態相同。根據量子力學定律,一個系統的微觀狀態總數永遠不會改變。(熵的增長並不是因為微觀狀態的數量有所增長,而是因為系統會自然而然演變為出現可能性最高的宏觀狀態。)事實上,早期宇宙與後來的宇宙是同一個物理系統——畢竟,現在的宇宙是早期宇宙演化而來的。

宇宙可以排布出無數種不同的微觀狀態,只有極少部分(幾乎可以忽略不計)對應於宇宙暴漲所必須具備的初始宏觀狀態,即超緻密暗能量近乎均勻地擠壓在一個極小的空間之中。這種狀態極其特殊,因此熵也極低。如果隨機選取宇宙所處的微觀狀態,恰好選中這種特殊狀態的可能性幾乎為零。暴漲理論本身並沒有解釋為什麼早期宇宙熵很低,只不過它從一開始就隱含了這一假設。

時間對稱的宇宙

因此,暴漲無助於解釋為什麼過去會與未來不同。一個大膽卻簡單的辦法就是直接認為:非常久遠的過去或許與未來並沒有什麼區別。也許遙遠的過去和未來一樣,都處於高熵狀態。果真如此的話,被我們稱為「早期宇宙」的熾熱、緻密狀態其實不是宇宙真正的開端,只是宇宙不同歷史時期之間的某種過渡狀態。

一些宇宙學家設想,宇宙經歷過一場「反彈」。在反彈發生之前,空間是收縮的,不過宇宙不會被擠壓成一個密度無限大的點,包括量子引力、超維、弦論和其他奇異現象在內的新物理學原理會在最後一分鍾拯救世界,讓宇宙展現出另一種面貌,也就是我們現在所說的大爆炸。盡管有趣,但反彈的宇宙並不能解釋時間箭頭。在反彈發生之前,宇宙中的熵要麼隨時間增長,要麼隨時間降低;前一種情況讓時間箭頭可以向過去無限回溯,後一情況則會在宇宙兩個歷史時期交界處(即反彈發生時刻)產生一種異常低熵狀態。不論哪種情況,我們還是繞不開這樣一個問題:為什麼在我們所說的大爆炸初始時刻,宇宙的熵會如此之小。

相反,我們假設宇宙最初處於高熵狀態,這才是最自然的狀態。真空是高熵狀態的典型代表。與其他所有高熵狀態一樣,真空的演變趨勢就是一成不變。因此,現在的問題在於:這片荒涼而死寂的時空中,如何才能產生我們今天觀測到的宇宙?這個秘密也許就隱藏在暗能量之中。

如果存在暗能量,真空就並非真正的空無一物。量子場的漲落會產生一個極低的溫度——比今天的宇宙溫度低得多,但絕不為零。在這樣一個宇宙里,所有的量子場都會偶爾經歷熱漲落(thermal fluctuation)。換句話說,真空並非死寂一片;如果等待的時間夠久,總會有單個粒子甚至一團粒子突然間「無中生有」,只不過很快又會消散在真空之中。(這些粒子都是真實粒子,並不是那些轉瞬即逝的虛粒子;虛粒子在沒有暗能量的真空中也能出現和消失,但真實粒子不行。)

同樣的道理,一小團緻密暗能量也可能突然出現。如果條件恰到好處,這團暗能量所占據的空間就會經歷暴漲,脫離原先的時空,形成一個獨立存在的嬰兒宇宙。我們的宇宙也許就是某個其他宇宙的後裔。

《信條》背後的真實科學問題:我們能否逆時間而行?

圖片來源:JAMES PROVOST

表面上看,上述情景與標准暴漲模型有不少相似之處。兩種模型都假設,一小團緻密暗能量的隨機出現觸發了暴漲。兩者的不同點在於,初始條件存在本質區別。在標准暴漲模型中,這團暗能量出現在一個隨機漲落異常劇烈的宇宙之中。問題在於,這個宇宙跳過暴漲階段,直接漲落到某種狀態啟動一場大爆炸的可能性似乎要高得多。事實上,就熵而論,更有可能出現的情況是,宇宙直接漲落出我們今天所看到的狀態,完全可以繞開過去 140 億年來的演化過程。

在我們提出的新模型中,原先的宇宙不會隨意漲落;它處於一種非常特殊的狀態,本身就是空無一物的空間。這種理論聲稱,從這樣一種狀態中創造出一個與我們宇宙類似的宇宙,最有可能的方式就是經歷一個暴漲階段,而不是直接漲落出另一個宇宙。(這一點還有待證明。)換句話說,我們的宇宙確實是漲落的結果,但並非隨機漲落。

箭之間時

2004年,我和芝加哥大學的陳千穎(Jennifer Chen)共同提出了這一模型,為可觀測宇宙中時間不對稱性的起源提供了一個誘人的解釋:我們看到的一切僅僅是滄海一粟,在更宏大的宇宙舞台上,時間是完全對稱的。熵可以通過創造新的嬰兒宇宙而毫無限制地增長。

特別幸運的是,不論時間向前還是向後流淌,這個模型都行得通。設想我們從某個特定時刻開始,關注真空向過去和未來兩個方向的演化。(考慮兩個時間方向的原因在於,我們沒有人為假定一個單向時間箭頭。)不論朝哪個方向演化,嬰兒宇宙都可以在漲落中產生,最終膨脹為一片虛空,再產生它們自己的嬰兒宇宙。在超宏大的尺度上看,這樣一個多重宇宙對時間來說是對稱的——過去和未來方向上都會漲落出許多新的宇宙,並且不受限制地膨脹開來。每個宇宙都會擁有一個時間箭頭,不過半數宇宙中的時間箭頭方向與另一半宇宙相反。

一個擁有反向時間箭頭的宇宙,這個想法似乎令人震驚。假如我們遇到來自那個宇宙的不速之客,他們會記得未來嗎?幸運的是,我們用不着擔心這樣的「邂逅」。在我們描述的這個模型中,時間看起來會倒流的地方只存在於極為久遠的過去——甚至比我們的大爆炸還要早很多。那里和這里之間間隔着一片遼闊無際的宇宙;在這個宇宙中,時間似乎不會流淌,空間中幾乎不存在物質,熵也不發生變化。生活在時間倒轉區域中的生命並不會返老還童,也不會擁有預知未來之類「特異功能」。他們所感覺到的時間流逝與我們熟悉的時間感絕無不同。只有把他們的宇宙和我們的宇宙放在一起比較時,事情才會變得異乎尋常——我們的過去是他們的未來,反之亦然。不過,這樣的比較只能是純粹的假想,因為我們去不了那里,他們也來不了這里。

《信條》背後的真實科學問題:我們能否逆時間而行?

圖片來源:Tenor

到目前為止,我們的模型還遠沒有成為定論。宇宙學家已經花了數年時間認真思考嬰兒宇宙的概念,不過我們還沒有理解這些宇宙的誕生過程。如果量子漲落能夠創生新的宇宙,那麼它們也能創造出許多其他的東西,比方說一個完整的星系。一個模型想要解釋我們所看到的這個宇宙,就必須要預言大多數星系是在類似大爆炸的事件之後形成的,而不是從原本空洞無物的宇宙中獨自漲落而來的。否則的話,我們的宇宙看起來就會極不正常。

不過,我們的目標並不是建立一個具體的模型,去解釋超大尺度上的時空結構。時間箭頭起源於早期宇宙中熵極低的初始狀態,可觀測宇宙的這一驚人特性之所以引起關注,是因為我們認為,它提供的線索有助於揭露不可觀測宇宙的本質。

可觀測宇宙令人印象深刻的時間不對稱性,似乎給我們提供了一條揭露時空終極運作機制的線索。我們物理學家的任務,就是要利用這樣那樣的線索,拼湊出一幅令人信服的完整畫卷。

來源:cnBeta