未來已成定局？愛因斯坦時間觀遭挑戰

我們可以或許感受到時候在不斷地流逝，但在愛因斯坦等物理學家看來，時候只是我們的感官所引起的錯覺，曩昔、此刻和將來并沒有什么分歧，早已被書寫在四維的塊宇宙之中。來自開普敦年夜學的宇宙學家埃利斯卻標的目的這種不雅點倡議了挑戰，他連系廣義相對論與量子力學，構建了更合適我們直覺的時候不雅。喬治·埃利斯（George Ellis）并不害怕匹敵權勢巨子。作為開普敦年夜學的宇宙學家，埃利斯把本身的目光放到了更為抽象的事物上：時候自己的流逝。

阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）在20宿世紀早期初次提出，傳統理論認為的時候流逝只是一種錯覺。曩昔和將來之間并沒什么分歧，都早已當作心猿意馬局。然而對于埃利斯來說，這種本家兒流理論的哲學寄義并不和我們的直覺相違反；他認為傳統的設法很危險，因為他們褫奪了我們的自由意志與道德責任。埃利斯的科學方針是把時候帶回物理學范疇，讓宇宙可以締造本身的將來，并付與我們改變命運的能力。

喬治·埃利斯認為愛因斯坦走得太遠了——將來還不決。

塊宇宙假說

17宿世紀時，在牛頓的《數學道理》里，這位英國的物理學家構建了一套合適我們日常經驗的時候不雅。他描畫了一塊宇宙中通用的秒表，它的滴嗒聲讓整個宇宙的時候在每一秒、每一分鐘、每一小時里平均地流逝。在牛頓的不雅念里，非論你的位置和活動狀況，你城市贊成埃利斯在劍橋年夜學三一學院的長凳上花了十分鐘喝完了咖啡。而每隔15分鐘，他都能聽見三一學院華美鐘塔的鈴聲，這座鐘塔早在年青的牛頓第一次踏進校園的半個宿世紀前就聳立在這里，精準地記實著時候的流逝。

1905年，愛因斯坦推翻了牛頓的宇宙存在絕對時候的協調圖景。取而代之的是不協調的、相對的時候不雅，該不雅點認為分歧的人對統一事務的持續時候可能有分歧的感知，甚至分歧事物的發生挨次也紛歧致。年青的愛因斯坦意識到，時候事實上是我們所不雅察到的三維空間之外的第四維度，也在此根本上締造了被稱為“塊宇宙”（block universe）的實際圖景。

埃利斯認為，為領會釋塊宇宙是怎么一回事，你可以想象對一個地址進行持續攝影，好比劍橋的學生們帶著書本去加入測驗，內心不安地走過三一學院的場景。若是你將拍攝的照片一張接一張地挨次播放，你可以將其制當作一部片子，時候在此中天然地流逝，這與我們對時候流逝的感知一致。但若是你將照片全數堆疊在一路，學生們穿過院子的過程將一次性完整地揭示在你面前。第二種環境就與塊宇宙的不雅點近似，曩昔、此刻和將來是同時存在的，時候流逝一說并無意義；所有事務都是彼此并存的。

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當然，一組照片只能展示沿著時候拍攝到的空間的兩個維度。將其擴展到整個宇宙的三維空間，還要包含宇宙全數的汗青以及將來會發生的所有事，如許就能獲得愛因斯坦理論下完整的塊宇宙，就像一份靜止的記實，包含了所有曾經發生和將要發生的所有事務。

埃利斯強調，塊宇宙與播放一段持續時刻的片子分歧，塊宇宙因為此中沒有一個明白的時候點可以用來標明“此刻”，分歧的個別對哪個時刻屬于“此刻”的認知并紛歧致，不存在一個并世無雙的標識表記標幟來區分已經固心猿意馬的曩昔和開放的將來。就像兩個學生坐在院子里的分歧角落，從他們各自的角度看到的三一學院的鐘塔的影子長度不相等，對于時候來說也是一樣：愛因斯坦意識到在塊宇宙中時候也只是另一個維度，那在時空中分歧位置的不雅察者對于統一個事務的持續時候可能有分歧的定見。也許有人會精確指出埃利斯花在喝咖啡上的時候不只10分鐘。

不僅如斯。在愛因斯坦的塊宇宙中，分歧的不雅察者看到的事務的發生挨次也可能分歧，就像院子里分歧位置的學生對于埃利斯是在鐘塔的左側仍是右側會有分歧的觀點。一小我感覺埃利斯在鐘塔敲響下戰書2點的鐘聲之后才喝完咖啡，而另一小我感覺喝完咖啡的時候在2點之前。這些差別完全取決于不雅察者在塊宇宙中活動的速度和偏向，因為這會影響這些事務發出的光達到不雅察者所需要的時候。以人類所能達到的速度來說，這種差別小到難以察覺，但已經被在國際空間站和高速飛機上所做的嘗試證實。

那么在塊宇宙中，對一些人來說是將來的事在另一些人看來其實是曩昔，這要取決于不雅察者的位置和活動狀況。未發生的事務對另一些人來說已經發生。將來對于你來說可能是未知數，但卻早已當作心猿意馬局。愛因斯坦本身是如許描述的：“對我們如許相信物理的人來說，曩昔、此刻和將來之間的不同只是一種頑固而持久的錯覺。年夜大都物理學家已經學會接管愛因斯坦的宇宙不雅點以及宇宙的根基方程，確定所謂時候的“進步”偏向是肆意的，但埃利斯的直覺認為還有更深的次層需要研究。他說：“我回到這里測驗考試研究對事物真實的感觸感染”。

對于思慮時候的流動來說，沒有什么比劍橋年夜學數百年汗青的三一學院更好的去向了，固然愛因斯坦認為將來與曩昔一樣真實，埃利斯依然認為將來只是可能性的調集，直到它融入此刻這個時候點。

流掉的時候

固然埃利斯對于塊宇宙里的時候不雅保寄望見，他依然欽佩愛因斯坦，并且在1960年搬到劍橋攻讀宿世界聞名的宇宙學家丹尼斯·夏瑪（Dennis Sciama）的博士學位時，這種敬意更深了。在擔任研究人員的起頭幾年，埃利斯博得了宿世界級宇宙學家的聲譽，因為他解決了愛因斯坦時空方程中一些棘手的數學難題。埃利斯欽敬愛因斯坦的數學獨創性，可是塊體宇宙理論從哲學意義來說，認為將來和曩昔都是注心猿意馬，這一點埃利斯暗示思疑。

在劍橋，埃利斯很快就與年青的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）一路工作，他們同在夏瑪的門下。霍金因為投身于研究宇宙發源以及黑洞素質而聲名年夜噪，可是埃利斯并沒有這般待遇。1973年，33歲的埃利斯分開了劍橋年夜學，并竣事了與霍金緊密親密的合作研究，回到南非的開普敦年夜學數學系成立了本身的團隊。

到了他學術生活生計的晚期，埃利斯在2005年時將他的注重力轉移到了困擾他學生時代的根本物理學難題：在沒有時候的實際不雅念中，要若何解決此中小我本家兒體缺掉的問題。為此，他從頭審閱了愛因斯坦的塊宇宙不雅，著眼于開辟一種連結最佳特征的新模子，這個模子既包含了嘗試已經驗證的時候相對性，也同時也恢復了另一個不雅點：素質上此刻與曩昔和將來是區分隔來的。

埃利斯的新模子并不是要傾覆塊宇宙理論，而更像是對其的改良。他從2006年起頒發了一系列備受存眷的論文，在其理論框架中，埃利斯保留了四維時空，并且合適相對論的展望。然而，他認為愛因斯坦把這個不雅點推的太遠，沒有需要假設第四個維度已經延長至無限遠處。是以埃利斯的模子與愛因斯坦的關頭區別在于：將來的鴻溝并不包含所有將要發生的事。相反，時空的前沿標記著“此刻”標的目的外逐漸延長，一刻接著一刻，將明天的可能性在昨天就確定下來。“明天的宇宙將會比今天多一天”，埃利斯說：“曩昔是真實的，而且可以或許對此刻的我們施加影響，但將來還不存在，也無法影響我們。”

切碎塊體宇宙

埃利斯的計較表白，固然相對論預言分歧不雅察者見到的分歧事務發生的挨次分歧，但與他的塊宇宙延長理論并不矛盾。在埃利斯和愛因斯坦的圖景中，分歧不雅察者所看到事務發生的時候差別與光從事務抵達不雅察者的時候有關。在愛因斯坦看來，這些事務和將來的所有事務可以配合存在。但埃利斯認為，這些事務必需存在于曩昔已形當作的塊宇宙中，如許這些事務才能被心猿意馬下來而且傳輸到其他人。同樣，埃利斯也認為，兩個不雅察者無法對統一事務的持續時候告竣一致，只會在事務已經發生之后。是以，埃利斯的時候模子保留了足夠的塊宇宙來合適相對論的預言，但不包含愛因斯坦激進地將第四維度延展至無限將來的假設。

若是埃利斯是對的，他要若何詮釋宇宙的前沿不竭標的目的前推進的機制？他說“界面就是不確定的將來不竭轉化為確定的曩昔的處所”。他從物理家們所熟知的另一個物理學分支上看到了但愿，這個分支認為可以或許將顯而易見的不確定性轉化為確定的實際。它屬于量子力學的范疇，這是一種可以或許節制亞原子粒子行為的獨特理論。

量子程度上都是由機遇和概率決議。例如，我們無法展望粒子切當的活動狀況，包羅粒子的位置和能量，直到你去測量它。而在此之前，這個粒子由無數的可能性組成，處在由無數可能的位置、速度、能量所構成的“疊加態”。然而，一旦粒子被不雅察，這個含有各類可能性的泡沫將分裂，坍縮為一個單一、隨機但確定的狀況。這是一個嚴酷的單標的目的過程，一旦狀況坍縮，粒子將無法天然地回到之前的多重態。而被不雅測之前我們也無法預知粒子坍縮后的狀況，最終成果無法預先設心猿意馬。

這種看起來與愛因斯坦的塊宇宙相矛盾的理論已被嘗試多次證實。幾十年來物理學家深知量子力學與廣義相對論無法相容。兩者對時候的天然狀況有分歧的不雅點，前者認為時候是天然流逝的實體，爾后者卻認為時候只是我們本家兒不雅感觸感染發生的錯覺。這種不合當作為了同一量子力學和廣義相對論的本家兒要障礙，而同一的量力引力理論將能詮釋從原子到行星的宇宙萬物。

量子力學的嘗試給了埃利斯決定信念，他堅信時候是真實存在的，而愛因斯坦的單一塊宇宙理論存在錯誤。“一些物理學家認為將來已經在今天已經確定，但我認為他們還沒有當真地考慮量子不確定性，”埃利斯說，“對我來說，量子不確定性意味著將來的事在它真的發生以前都仍是未知數。”他認為在他的塊宇宙延長理論中，不確定的將來經由過程一系列細小的量子事務逐漸固結為確定的曩昔。在每個事務中，粒子顛末自身內部矛盾力量的斗爭，從起頭的不確定量子狀況轉化為一個明白的狀況。跟著臨近的粒子都履歷了這一過程，確定性的海浪將開放的將來變為已心猿意馬的曩昔。

將來之路

埃利斯也許已經構建了一個將時候從頭放回物理學的框架理論，但要說服他的同業們還很堅苦。牛津年夜學客座傳授朱利安·巴伯很欽佩埃利斯，但他始終認為“時候”應該徹底從物理學的范疇中剔除出去。他認為，有些工具感受起來很天然，但并不料味著它就是對真實宿世界的精確描述。

巴伯說：“這讓我想到昔時伽利略試著說服亞里士多德本家兒義者地球是繞著太陽轉的。”直覺告訴我們腳下的這個星球堅實又安靜，固然伽利略的設法與直覺相悖，但他畢竟是對的。巴伯相信，我們在時候的流逝中活動的設法，有一天也會像地心說那樣當作為一種古老的不雅念。

加州年夜學圣地亞哥分校的物理學博士克雷格·卡倫德（Craig Callender）也能感觸感染到埃利斯的沮喪：“物理學家們一向在冷笑我們的時候體驗，認為那只是幻覺，是一種過時的設法。但即使這是幻覺，那也是最令人信服的一種”。塊宇宙延長理論可能是對的，卡倫德說，但在埃利斯可以或許說服年夜部門同業之前，他還需要對量子過程有更嚴酷的詮釋，在嘗試中這一過程凡是只影響亞原子物體，它若何層疊推進乃至對整個宇宙發生影響。

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另一種否決定見認為人的不雅測可以或許讓粒子的疊加態縮短為確定狀況，但宇宙中存在年夜片人類無法不雅測到的區域，又由誰來供給這種不雅測過程？埃利斯則辯駁道，量子坍縮并紛歧心猿意馬需要一個有意識的不雅測者，粒子每次發生碰撞，也能撞破它們的不確定狀況。這種不雅點被稱為退相關（decoherence），已被物理學家遍及接管。

埃利斯說：“在我看來，量子坍縮無時無刻、無處不在地發生”。他指標的目的一顆灑滿陽光的樹，彌補道：“每當一粒光子照射到一片樹葉，這顆粒子的量子不確定性就會坍縮。埃利斯認可他的設法還只是猜測。“我不會說我的設法牢不成破，”他認可道，“但我認為在我的理論框架中，每件事都能講得通。”

而且他還認為證實的責任不在他，而在于那些傳播鼓吹時候只是幻覺的人們。埃利斯說，究竟結果，他的模子不僅僅經由過程量子嘗試讓時候看起來真實，并且也合適我們的一般感受，“這個嘗試我們每小我，時時刻刻都在進行。”糊口自己就是一個得以撐持他的理論的嘗試。

博科園-科學科普｜文：Zeeya Merali/舉世科學ScientificAmerican/huanqiukexue

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