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时间简史-第九章  时间箭头

作者:[英]史蒂芬·霍金 著  许明贤 吴忠超 译 时间:2010/3/25 12:33:19 点击:4228


第九章  时间箭头



    我们在前几章中看到了,长期以来人们关于时间性质的观点是如何变化的。直
到本世纪初,人们还相信绝对时间。也就是说,每一‖事‖件‖可由一个称为“时间”的
数以唯一的方式来标记,所有好的钟在测量两个‖事‖件‖之间的时间间隔上都是一致的。
然而,对于任何正在运动的观察者光速总是一样的这一发现,导致了相对论;而在
相对论中,人们必须抛弃存在一个唯一的绝对时间的观念。代之以每个观察者携带
的钟所记录的他自己的时间测量——不同观察者携带的钟不必要读数一样。这样,
对于进行测量的观察者而言,时间变成一个更主观的概念。

    当人们试图统一引力和量子力学时,必须引入“虚”时间的概念。虚时间是不
能和空间方向区分的。如果一个人能往北走,他就能转过头并朝南走;同样的,如
果一个人能在虚时间里向前走,他应该能够转过来并往后走。这表明在虚时间里,
往前和往后之间不可能有重要的差别。另一方面,当人们考察“实”时间时,正如
众所周知的,在前进和后退方向存在有非常巨大的差别。这过去和将来之间的差别
从何而来?为何我们记住过去而不是将来?

    科学定律并不区别过去和将来。更精确地讲,正如前面所解释的,科学定律在
称作c、 p和t的联合作用(或对称)下不变。(c是指将反粒子来替代粒子;p的意
思是取镜象, 这样左和右就互相交换了;t是指颠倒所有粒子的运动方向,也就是
使运动倒退回去。)在所有正常情形下,制约物体行为的科学定律在cp联合对称下
不变。换言之,对于其他行星上的居民,若他们是我们的镜像并且由反物质而不是
物质构成,则生活会刚好是同样的。

    如果科学定律在cp联合对称以及cpt联合对称下都不变,它们也必须在单独的t
对称下不变。然而,在日常生活的实时间中,前进和后退的方向之间还是有一个大
的差异。想像一杯水从桌子上滑落到地板上被打碎。如果你将其录像,你可以容易
地辨别出它是向前进还是向后退。如果将其倒回来,你会看到碎片忽然集中到一起
离开地板,并跳回到桌子上形成一个完整的杯子。你可断定录像是在倒放,因为这
种行为在日常生活中从未见过。如果这样的事发生,陶瓷业将无生意可做。

    为何我们从未看到碎杯子集合起来,离开地面并跳回到桌子上,通常的解释是
这违背了热力学第二定律所表述的在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加。
换言之,它是穆菲定律的一种形式:事情总是趋向于越变越糟:桌面上一个完整的
杯子是一个高度有序的状态,而地板上破碎的杯子是一个无序的状态。人们很容易
从早先桌子上的杯子变成后来地面上的碎杯子,而不是相反。

    无序度或熵随着时间增加是一个所谓的时间箭头的例子。时间箭头将过去和将
来区别开来,使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头:第一个,是热力学时
间箭头,即是在这个时间方向上无序度或熵增加;然后是心理学时间箭头,这就是
我们感觉时间流逝的方向,在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来;最后,是
宇宙学时间箭头,在这个方向上宇宙在膨胀,而不是收缩。

    我将在这一章论断,宇宙的无边界条件和弱人择原理一起能解释为何所有的三
个箭头指向同一方向。此外,为何必须存在一个定义得很好的时间箭头。我将论证
心理学箭头是由热力学箭头所决定,并且这两种箭头必须总是指向相同的方向。如
果人们假定宇宙的无边界条件,我们将看到必然会有定义得很好的热力学和宇宙学
时间箭头。但对于宇宙的整个历史来说,它们并不总是指向同一方向。然而,我将
指出,只有当它们指向一致时,对于能够发问为何无序度在宇宙膨胀的时间方向上
增加的智力生命的发展,才有合适的条件。



    首先,我要讨论热力学时间箭头。总存在着比有序状态更多得多的无序状态的
这一事实,是使热力学第二定律存在的原因。譬如,考虑一盒拼板玩具,存在一个
并且只有一个使这些小纸片拼成一幅完整图画的排列。另一方面,存在巨大数量的
排列,这时小纸片是无序的,不能拼成一幅画。

    假设一个系统从这少数的有序状态之中的一个出发。随着时间流逝,这个系统
将按照科学定律演化,而且它的状态将改变。到后来,因为存在着更多的无序状态,
它处于无序状态的可能性比处于有序状态的可能性更大。这样,如果一个系统服从
一个高度有序的初始条件,无序度会随着时间的增加而增大。

    假定拼板玩具盒的纸片从能排成一幅图画的有序组合开始,如果你摇动这盒子,
这些纸片将会采用其他组合,这可能是一个不能形成一幅合适图画的无序的组合,
就是因为存在如此之多得多的无序的组合。有一些纸片团仍可能形成部份图画,但
是你越摇动盒子,这些团就越可能被分开,这些纸片将处于完全混乱的状态,在这
种状态下它们不能形成任何种类的图画。这样,如果纸片从一个高度有序的状态的
初始条件出发,纸片的无序度将可能随时间而增加。

    然而,假定上帝决定不管宇宙从何状态开始,它都必须结束于一个高度有序的
状态,则在早期这宇宙有可能处于无序的状态。这意味着无序度将随时间而减小。
你将会看到破碎的杯子集合起来并跳回到桌子上。然而,任何观察杯子的人都生活
在无序度随时间减小的宇宙中,我将论断这样的人会有一个倒溯的心理学时间箭头。
这就是说,他们会记住将来的‖事‖件‖,而不是过去的‖事‖件‖。当杯子被打碎时,他们会
记住它在桌子上的情形;但是当它是在桌子上时,他们不会记住它在地面上的情景。

    由于我们不知道大脑工作的细节,所以讨论人类的记忆是相当困难的。然而,
我们确实知道计算机的记忆器是如何工作的。所以,我将讨论计算机的心理学时间
箭头。我认为,假定计算机和人类有相同的箭头是合理的。如果不是这样,人们可
能因为拥有一台记住明年价格的计算机而使股票交易所垮台。

    大体来说,计算机的记忆器是一个包含可存在于两种状态中的任一种状态的元
件的设备,算盘是一个简单的例子。其最简单的形式是由许多铁条组成;每一根铁
条上有一念珠,此念珠可呆在两个位置之中的一个。在计算机记忆器进行存储之前,
其记忆器处于无序态,念珠等几率地处于两个可能的状态中。(算盘珠杂乱无章地
散布在算盘的铁条上)。在记忆器和所要记忆的系统相互作用后,根据系统的状态,
它肯定处于这种或那种状态(每个算盘珠将位于铁条的左边或右边。)这样,记忆
器就从无序态转变成有序态。然而,为了保证记忆器处于正确的状态,需要使用一
定的能量(例如,移动算盘珠或给计算机接通电源)。这能量以热的形式耗散了,
从而增加了宇宙的无序度的量。人们可以证明,这个无序度增量总比记忆器本身有
序度的增量大。这样,由计算机冷却风扇排出的热量表明计算机将一个项目记录在
它的记忆器中时,宇宙的无序度的总量仍然增加。计算机记忆过去的时间方向和无
序度增加的方向是一致的。

    所以,我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头,是在我们头脑中由热力
学时间箭头所决定的。正像一个计算机,我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。
这几乎使热力学定律变成为无聊的东西。无序度随时间的增加乃是因为我们是在无
序度增加的方向上测量时间。拿这一点来打赌,准保你会赢。

    但是究竟为何必须存在热力学时间箭头?或换句话说,在我们称之为过去时间
的一端,为何宇宙处于高度有序的状态?为何它不在所有时间里处于完全无序的状
态?毕竟这似乎更为可能。并且为何无序度增加的时间方向和宇宙膨胀的方向相同?

    在经典广义相对论中,因为所有已知的科学定律在大爆炸奇点处失效,人们不
能预言宇宙是如何开始的。宇宙可以从一个非常光滑和有序的状态开始。这就会导
致正如我们所观察到的、定义很好的热力学和宇宙学的时间箭头。但是,它可以同
样合理地从一个非常波浪起伏的无序状态开始。在那种情况下,宇宙已经处于一种
完全无序的状态,所以无序度不会随时间而增加。或者它保持常数,这时就没有定
义很好的热力学时间箭头;或者它会减小,这时热力学时间箭头就会和宇宙学时间
箭头相反向。任何这些可能性都不符合我们所观察到的情况。然而,正如我们看到
的,经典广义相对论预言了它自身的崩溃。当空间——时间曲率变大,量子引力效
应变得重要,并且经典理论不再能很好地描述宇宙时,人们必须用量子引力论去理
解宇宙是如何开始的。

    正如我们在上一章看到的,在量子引力论中,为了指定宇宙的态,人们仍然必
须说清在过去的空间—时间的边界的宇宙的可能历史是如何行为的。只有如果这些
历史满足无边界条件,人们才可能避免这个不得不描述我们不知道和无法知道的东
西的困难:它们在尺度上有限,但是没有边界、边缘或奇点。在这种情形下,时间
的开端就会是规则的、光滑的空间—时间的点,并且宇宙在一个非常光滑和有序的
状态下开始它的膨胀。它不可能是完全均匀的,否则就违反了量子理论不确定性原
理。必然存在密度和粒子速度的小起伏,然而无边界条件意味着,这些起伏又是在
与不确定性原理相一致的条件下尽可能的小。

    宇宙刚开始时有一个指数或“暴涨”的时期,在这期间它的尺度增加了一个非
常大的倍数。在膨胀时,密度起伏一开始一直很小,但是后来开始变大。在密度比
平均值稍大的区域,额外质量的引力吸引使膨胀速度放慢。最终,这样的区域停止
膨胀,并坍缩形成星系、恒星以及我们这样的人类。宇宙开始时处于一个光滑有序
的状态,随时间演化成波浪起伏的无序的状态。这就解释了热力学时间箭头的存在。

    如果宇宙停止膨胀并开始收缩将会发生什么呢?热力学箭头会不会倒转过来,
而无序度开始随时间减少呢?这为从膨胀相存活到收缩相的人们留下了五花八门的
科学幻想的可能性。他们是否会看到杯子的碎片集合起来离开地板跳回到桌子上去?
他们会不会记住明天的价格,并在股票市场上发财致富?由于宇宙至少要再等一百
亿年之后才开始收缩,忧虑那时会发生什么似乎有点学究气。但是有一种更快的办
法去查明将来会发生什么,即跳到黑洞里面去。恒星坍缩形成黑洞的过程和整个宇
宙的坍缩的后期相当类似;这样,如果在宇宙的收缩相无序度减小,可以预料它在
黑洞里面也会减小。所以,一个落到黑洞里去的航天员能在投赌金之前,也许能依
靠记住轮赌盘上球儿的走向而赢钱。(然而,不幸的是,玩不了多久,他就会变成

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