• 精选
  • 会员

概率、时间和黑洞的热(2)

2020年7月19日  来源:七堂极简物理课 作者:[意]卡洛·罗韦利 提供人:heidong86......

不过,当把它们延伸到引力场时,却出现了问题。温度升高时,引力场会如何变化,仍是一个未解的难题。我们知道电磁场加热后会发生什么:比如在用烤箱时,馅饼会被热的电磁辐射加热,我们知道怎样描述它——电磁波会振动,随机分配能量。我们可以把电磁波想象成由光子组成的气体,这些光子像热气球里面的分子一样运动。但是热引力场是什么?我们在第一课说到过,引力场就是空间本身,或者说是时空,因此,当热量在引力场扩散开来的时候,空间和时间也应该发生振动……但是我们还不知道如何描述它,我们还没有发现可以描述热时空的热振动的方程。

这些问题把我们引向时间问题的核心:时间的流动究竟是什么?

经典物理学中已经提到了这个问题,19、20世纪的哲学家十分重视它,但在现代物理学中,这个问题变得更加棘手。物理学通过公式来描述世界,告诉我们物体是如何随“时间”而变化的。但是,我们也可以用另一些公式解释物体如何随“位置”的改变而变化,或者,烩饭的口味如何随“黄油的用量”而变化。时间看起来是在“流动”,但是黄油的量和空间中的位置不会“流动”。那么区别在哪里?

或者我们可以问问自己:什么是“现在”?我们说存在的事物是“现在”的事物:过去不再存在了,未来还不存在。但是,在物理学中,没有东西对应“现在”这个概念。对比一下“此刻”和“此处”。“此处”是指说话人所在的位置:如果有两个不同的人,“此处”就是指两个不一样的地方。因此,“此处”的意思取决于说话的地点,用术语表达就叫作指示性。“此刻”指说话的这一瞬间,也具有指示性。没有人会说“此处”的东西是存在的,不在“此处”的东西就不存在。那么,为什么我们可以说“此刻”的东西是存在的,不在“此刻”的东西就不存在呢?究竟“此刻”是客观的,它的“流动”让物体一个接着一个地“存在”,还是,它和“此处”一样,是主观的?

这似乎是个深奥的脑力题,但解决这个问题却是现代物理学的当务之急,因为狭义相对论告诉我们“现在”的概念也是主观的。物理学家们和哲学家们得出结论:全宇宙共有同一个“现在”的观念是种幻觉,时间在宇宙中同步“流逝”这种概括也是行不通的。爱因斯坦在他的意大利好友米凯莱·贝索(Michele Besso)去世后给他的妹妹写了一封感人至深的信:“米凯莱从这个奇怪的世界离开了,比我先走一步,但这没什么。像我们这样相信物理的人都知道,过去、现在和未来之间的分别只不过是持久而顽固的幻觉。”

不管是不是幻觉,如何解释对我们而言时间在“流逝”、“流动”和“过去”呢?时间的流逝对我们每个人来说都是显而易见的:我们想的事情、说的话都存在于时间中,就连语言本身的结构都离不开时间——一件事情“正在”、“已经”或者“将要”发生。我们可以想象一个没有颜色、没有物质,甚至没有空间的世界,却很难想象一个没有时间的世界。德国哲学家海德格尔(Martin Heidegger)强调,我们“栖居于时间之中”。会不会海德格尔视为根本的时间流逝这一特征,根本不存在?

一些哲学家,其中不乏海德格尔忠实的追随者,认定物理没有能力描述现实最根本的面向,甚至斥之为误导人的知识。但是历史已经多次证明,我们的直觉是不准确的。如果被困在直觉中,我们还想着地球是平的,太阳绕着地球转呢。直觉建立在我们有限的经验之上。当我们能够看得更远时,我们会发现世界并不是原先看上去那样:地球是圆的,开普敦的人是头朝下、脚在上的。相信直觉而罔顾科学家们理性、严谨、智慧的集体验证,是不明智的。这就像那种老头子的偏见:他不相信外面的大千世界跟自己住的小村庄有什么差别,不相信那里生活着他从未见过的人。

那么,时间流逝这个鲜活的经验从何而来?

我认为答案就在热量和时间的紧密联系中:只有当热量发生转移时,才有过去和未来的区别。热量与概率相关,而概率又决定了:我们和周围世界的互动无法追究到微小的细节。

这样一来,“时间的流逝”便在物理学中出现了,但并不是在精确地描述物体的真实状况时,而是更多地出现在统计学与热力学中。这可能就是揭开时间之谜的钥匙。“此刻”并不比“此处”更加客观,但是世界内部微观的相互作用促使某系统(比如我们自己)内部出现了时间性的现象,这个系统只通过无数变量相互作用。

我们的记忆和意识都建立在这些概率性的现象之上。假如存在一种超感觉的生物,那么对它来说,就不存在时间的“流逝”,宇宙会是没有过去、现在、未来之分的一整块。但是,由于我们意识的局限性,我们只能看到一幅模糊的世界图景,并栖居于时间之中。请容许我引用本书编辑的一句话:“看不清的比看得清的更广阔。”正是这种对世界的模糊观察孕育了我们时光流逝的观念。

这就把一切说清楚了吗?并没有,还有好多问题有待解决。在引力、量子力学和热力学三者的交叉地带,许多问题纠缠在一起,而时间就位于这团乱麻的中心。我们还在黑暗中摸索。我们也许已经开始理解量子引力了,但它也只结合了三块拼图中的两块。我们还没有找到一个理论,把我们对世界的这三块基本理解拼到一起。

英国著名物理学家史蒂芬·霍金完成的一个计算给解决这个问题提供了一条线索。他身患重疾,只能缩在轮椅上,并借助辅助仪器说话,但仍在物理学研究上成就卓著。

霍金利用量子力学成功地证明了黑洞总是“热的”,像火炉一样放热。这是关于“热空间”性质的第一个具体迹象。从来没有人观测到这种热,因为在我们观测到的真实的黑洞中,这种热非常微弱。但是霍金的计算令人信服,在各种场合被人们引用,黑洞的热也被普遍认为是真实存在的。

黑洞的热是发生在黑洞这种物体上的量子效应,而黑洞本质上是引力性的。一个个空间量子,空间的基本颗粒,即那些振动的“分子”加热了黑洞表面,使黑洞放热。这个现象同时涉及问题的三个方面:量子力学、广义相对论和热力学。

黑洞的热如同物理学中的罗塞塔石碑,它用量子、引力和热力学三种语言写就,仍在等待解读,以告诉我们时间的本质。

概率 / 时间 / 黑洞

如涉及版权,请著作权人与本网站联系,删除或支付费用事宜。

0000