|
L. P. Hartly在他的書 "The Go Between" 中寫道：為什么過去與未來如此不同?為什么我們記得過去而不記得未來?這是否和宇宙在膨脹的事實(shí)相聯(lián)系? 物理學(xué)定律不區(qū)分過去和未來。更精確地說，物理學(xué)定律在 C， P和 T的聯(lián)合變換下不變。C是指粒子反粒子互換。P指鏡像變換，即左右手互換。T指逆轉(zhuǎn)所有粒子的運(yùn)動方向，實(shí)際上，就是將運(yùn)動倒過來。 支配常規(guī)下物質(zhì)行為的物理學(xué)定律在 C和 P的聯(lián)合變換下不變。換言之，生命對那些由反物質(zhì)組成并且是我們的鏡像的外星居民來說，與我們完全一樣。如果你遇到了外星人，當(dāng)他伸出左手時(shí)，你可不要去握手，因?yàn)樗赡苁怯煞次镔|(zhì)組成的。你們會在霎時(shí)的閃光中湮沒。 如果物理學(xué)定律在 C和 P的聯(lián)合變換下不變，并且在 C，P和 T的聯(lián)合變換下也不變，那么它們一定在獨(dú)自的 T變換下不變。然而，在我們?nèi)粘Ｉ钪?，?shí)時(shí)間的向前與向后之間有著大的差異。設(shè)想杯子從桌子上掉下來在地上碎成幾塊。如果你將此拍成電影，你能很容易地說出電影在順著或倒著放映。如果倒著放，你會看到，那些碎片會突然自動地從地上聚起來，組成一個(gè)完好的杯子并跳回到桌子上。你能知道電影在倒著放，因?yàn)樵谌粘Ｉ钪袕膩頉]有看到過這種現(xiàn)象。如果能看到這種現(xiàn)象，瓷器制造商就得關(guān)門了。 為什么我們從未看見破碎的杯子自動從地上聚起來并跳回到桌子上?通常的解釋是：熱力學(xué)第二定律禁止這樣的事情發(fā)生。第二定律說，無序或熵總隨時(shí)間增加。桌上的好杯子是高度有序的狀態(tài)，地上的碎杯子是無序的狀態(tài)。因此，事情可以有從過去桌上的好杯子到將來地上的碎杯子，而反過來卻不行。 無序或熵隨時(shí)間的增加，是時(shí)間指向的一個(gè)例子。時(shí)間是某種給時(shí)間以方向并區(qū)分過去和未來的東西。至少有三種不同的時(shí)間指向。 （1）熱力學(xué)時(shí)間指向：沿此時(shí)間方向，無序或熵增加; （2）心理時(shí)間指向：沿此時(shí)間方向，我們感覺時(shí)光流逝。沿此時(shí)間方向我們記得過去，但不記得未來; （3）宇宙時(shí)間指向：沿此時(shí)間方向，宇宙在膨脹而非收縮。 我將證明，心理指向是由熱力學(xué)指向決定的，這兩個(gè)指向總是相同的。如果我們假設(shè)宇宙無邊界，這兩個(gè)時(shí)間方向便與宇宙時(shí)間指向相關(guān)聯(lián)，雖然它們不一定指著相同的方向。然而，我將表明，只有當(dāng)它們指著與宇宙時(shí)間指向相同的方向時(shí)，各種條件才適合于有智慧的生命的發(fā)展一一這樣的生命能夠問：為什么無序沿這樣的時(shí)間方向增加，沿此相同的時(shí)間方向宇宙在膨脹? 我先談熱力學(xué)時(shí)間指向。熱力學(xué)第二定律基于這樣的事實(shí)：無序的狀態(tài)比有序的狀態(tài)多得多。例如，考慮一盒子中的拼板玩具。設(shè)只有一種拼塊的排列能構(gòu)成一幅完整的圖案，在很多很多的排列中拼塊是混亂的，不構(gòu)成圖案。 假設(shè)系統(tǒng)始于少數(shù)有序狀態(tài)的一個(gè)。隨著時(shí)光流逝，系統(tǒng)會按物理學(xué)定律演化，它的狀態(tài)會改變。在下一時(shí)刻，系統(tǒng)有很高的幾率進(jìn)入更加無序的狀態(tài)，這是因?yàn)橛卸嗟枚嗟臒o序狀態(tài)。因此，如果系統(tǒng)始于高度有序的狀態(tài)，則無序傾向于隨時(shí)間增加。 假設(shè)拼塊始于構(gòu)成圖案的有序排列。如果你搖動盒子，拼塊將會取另一種排列。這可能是一個(gè)無序的排列，在這排列中拼塊不構(gòu)成適當(dāng)?shù)膱D案，簡單地說，這是因?yàn)闊o序的排列要多得多。有些拼塊或許還構(gòu)成圖案的某部分，但你搖動盒子愈厲害，那些構(gòu)成部分圖案的拼塊愈是可能被拆散。拼塊將會取完全混亂的狀態(tài)，不構(gòu)成任何圖案。因此，拼塊的無序可能隨時(shí)間增加，如果它們滿足這樣的初始條件：始于高度有序的狀態(tài)。 然而，假設(shè)上帝決定宇宙在后來終止于高度有序的狀態(tài)，而與宇宙始于怎樣的狀態(tài)無關(guān)。那么，早期宇宙就可能處于無序的狀態(tài)，無序?qū)㈦S時(shí)間減少。你就會看到，破碎的杯子自動聚起來并跳回到桌子上。然而，任何在觀察這杯子的人將生活在無序隨時(shí)間減少的宇宙里。這樣的人類將有向后的心理時(shí)間指向。即是說，他們記得未來的事件，卻不記得過去的事件。 要談人的記憶，還很困難，因?yàn)槲覀儾恢来竽X工作的細(xì)節(jié)。然而，我們確實(shí)知道計(jì)算機(jī)的記憶器是怎樣工作的。因此，我將討論計(jì)算機(jī)的心理時(shí)間指向。我想，假設(shè)計(jì)算機(jī)的時(shí)間指向與人類的一樣，這是合情合理的。否則，人們可以靠掌握一臺能記住明天價(jià)格的計(jì)算機(jī)在股票交易所牟取暴利。計(jì)算機(jī)的記憶器基本上是些能處于兩種狀態(tài)之一的器件。超導(dǎo)環(huán)便是一例，如果環(huán)中有電流，則電流將持續(xù)下去，因?yàn)榄h(huán)中無電阻；如果環(huán)中沒有電流，則它將保持無電流的狀態(tài)。我們可以標(biāo)識記憶器的兩狀態(tài)為0和 1。在數(shù)據(jù)被記錄到記憶器之前，記憶器處于無序的狀態(tài)0和1等可能地出現(xiàn)。當(dāng)記憶器與待記憶的系統(tǒng)相互作用后，記憶器將根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)確切無疑地處于0或 1。因此，記憶器便從無序狀態(tài)過渡到有序狀態(tài)。然而，為了確信記憶器處于正確的狀態(tài)，必須用掉一定的能量。這能量耗散為熱，增加了宇宙中無序的量。可以表明，宇宙中這無序的增加大于記憶器中有序的增加。因此，當(dāng)計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)到記憶器時(shí)，宇宙中無序的總量增加了。計(jì)算機(jī)記得過去的時(shí)間方向與無序增加的時(shí)間方向是一致的。這意味著，我們對時(shí)間的主觀感覺，即為心理時(shí)間指向，它是由熱力學(xué)時(shí)間指向決定的。這使得熱力學(xué)第二定律幾乎一文不值了。無序隨時(shí)間增加，是因?yàn)槲覀冄責(zé)o序增加的方向測量時(shí)間！你不能有比此更安全的斷言了！ 為什么宇宙在我們稱為過去的時(shí)間端點(diǎn)處于高度有序的狀態(tài)?為什么宇宙不自始至終處于完全無序的狀態(tài)?必竟，這似乎更為可能。為什么無序隨之增加的時(shí)間方向與宇宙隨之膨脹的時(shí)間方向相同? 一個(gè)可能的答案是，上帝簡單地選擇了宇宙該在膨脹階段的始點(diǎn)處于光滑和有序的狀態(tài)。我們不該試圖去理解為什么，或者詢問上帝的理由，因?yàn)橛钪娴氖键c(diǎn)是上帝的杰作。整個(gè)宇宙的歷史也可以說是上帝的杰作。看來宇宙在根據(jù)定義得很好的規(guī)律演進(jìn)。這些規(guī)律或許是，或許不是由上帝制定的，但似乎我們能夠發(fā)現(xiàn)并理解這些規(guī)律。因此，希望同樣的或類似的規(guī)律在宇宙的始點(diǎn)還有效，難道不合情合理嗎? 在經(jīng)典廣義相對論中，宇宙的始點(diǎn)必定是密度和時(shí)空曲率無窮大的奇點(diǎn)。在這樣的條件下，所有已知的物理學(xué)定律都失效了。因此，人們不能用這些定律來預(yù)言宇宙怎樣開始。宇宙可能始于很光滑和有序的狀態(tài)。這會導(dǎo)致定義明確的熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時(shí)間指向，象我們觀察到的那樣。但是，宇宙同樣可能始于很粗糙和無序的狀態(tài)。在這種情形下，宇宙已經(jīng)處于完全無序的狀態(tài)，無序不再可能隨時(shí)間增加。要么無序隨時(shí)間減少。這樣，熱力學(xué)時(shí)間指向?qū)⒅赶蛴钪鎸W(xué)指向的相反方向。這兩種可能都與我們的觀測不一致。 如我所說，經(jīng)典廣義相時(shí)論預(yù)言宇宙應(yīng)該始于時(shí)空曲率無窮大的奇點(diǎn)。事實(shí)上，這意味著，經(jīng)典廣義相對論預(yù)言了它自身的崩潰。當(dāng)時(shí)空曲率很大時(shí)，量于引力效應(yīng)將變得重要，經(jīng)典理論不再是宇宙的一個(gè)好的描述。我們必須用量子引力理論來理解宇宙怎樣開始。 在量于引力理論中，我們考慮宇宙所有可能的歷態(tài)。有兩個(gè)數(shù)與每個(gè)歷態(tài)相聯(lián)系。一個(gè)代表波的大小，另一個(gè)代表波的相位，即波在峰頂或在谷底。宇宙具有某種特性的幾率，由具有此特性的所有歷態(tài)的波函數(shù)之和給出。 這些歷態(tài)是彎曲的空間，代表宇宙在虛時(shí)間中的演化。我們還必須說明，宇宙的可能歷態(tài)在過去時(shí)空的邊界上行為怎樣，我們不知道，也不可能知道如何做到這一點(diǎn)。然而，有可能避免這個(gè)困難，如果歷態(tài)滿足無邊界條件：它們在廣度上有限，但沒有邊界、邊緣或奇異性。它們像地球表面，但多了兩維。在這種情形下，時(shí)間的始點(diǎn)將是時(shí)空中平常的光滑的點(diǎn)。這意味著，宇宙從一個(gè)很光滑和有序的狀態(tài)開始它的膨脹。它不可能是完全均勻的，因?yàn)檫@將違背量于力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，一定會有密度和粒子速度的小漲落。然而，"無邊界"條件意味著，這些漲落應(yīng)當(dāng)盡可能地小，并與測不準(zhǔn)原理一致。 宇宙開始時(shí)有一段指數(shù)膨脹或“暴脹”，在暴脹期，宇宙的大小增加了一個(gè)很大很大的因子。在這一膨脹期間，密度的漲落在開始時(shí)仍然很小，但后來開始增大。在密度稍高于平均值的區(qū)域，膨脹將會由于額外質(zhì)量的引力減慢下來。最終，這樣的區(qū)域?qū)⑼Ｖ古蛎?，坍縮而形成星系、星體和我們這樣的人類。宇宙始于光滑和有序的狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移，它變得粗糙和無序。這可以解釋熱力學(xué)時(shí)間指向的存在。前面我已說明。心理時(shí)間指向指著與熱力學(xué)指向相同的方向。因此，我們主觀感受的時(shí)間，是宇宙在隨之膨脹的時(shí)間，而不是相反的宇宙在隨之收縮的時(shí)間。 當(dāng)宇宙停止膨脹，并開始收縮時(shí)，會發(fā)生些什么?熱力學(xué)時(shí)間指向會不會逆轉(zhuǎn)，無序會不會隨時(shí)間減少?對那些從膨脹到收縮階段幸存下來的人們，這會引導(dǎo)出各種各樣科幻式的可能性。他們會不會看見，破碎的杯子自動從地上聚起來，并跳回到桌子上？他們能不能記住明天的價(jià)格，在股票市場上大發(fā)橫財(cái)。擔(dān)心宇宙重新坍縮時(shí)會發(fā)生什么。這似乎有些學(xué)究氣，因?yàn)橹辽僭?100億年內(nèi)宇宙不會開始收縮。但是，有更快的辦法來揭示出什么會發(fā)生。跳進(jìn)黑洞。(我不建議任何人去試)。形成黑洞的星體坍縮很像整個(gè)宇宙坍縮的后期。因此，如果在宇宙的收縮階段無序減少，那么我們可以期望，在黑洞里無序也會減少。掉進(jìn)黑洞的宇航員或許能夠在輪盤賭博中贏錢：在下賭注前就記住小球落在哪兒。然而，很不幸，在他被極強(qiáng)引力場弄成肉醬之前，他不會有多長時(shí)間來玩，他也不可能告訴我們熱力學(xué)指向的逆轉(zhuǎn)，甚至不可能把他贏得的錢存到銀行里，因?yàn)樗菰诤诙吹囊暯绾竺妗?/p> 最初，我相信當(dāng)宇宙重新坍縮時(shí)，無序會減少。我當(dāng)時(shí)認(rèn)為宇宙重新變小時(shí)，它必定回到光滑和有序的狀態(tài)。這意味著。宇宙的收縮階段就像膨脹階段的時(shí)間反演一樣。生活在收縮階段的人們將會倒著活：先死后生，并隨宇宙的收縮活得越來越年輕。 這個(gè)想法很誘人，因?yàn)樗馕吨蛎浐褪湛s之間的一種令人愜意的對稱性。然而，你不能獨(dú)自地采用它，而不顧其它有關(guān)宇宙的理論。問題是：這是否隱含在無邊界條件中，或者，這是否與無邊界條件相矛盾。如我所說，我最初認(rèn)為，無邊界條件確實(shí)意味著無序會在收縮階段減少。這基于在一個(gè)簡單的宇宙模型上的工作，在這模型中坍縮看起來像膨脹階段的時(shí)間反演。然而，我的同事 Don Page指出，無邊界條件并不要求收縮階段一定是膨脹階段的時(shí)間反演。更進(jìn)一步，我的學(xué)生 Raymond Laflamme 發(fā)現(xiàn)，在稍為復(fù)雜些的模型中，宇宙的坍縮與膨脹很不一樣。我意識到我犯了個(gè)錯(cuò)誤：事實(shí)上，無邊界條件意味著無序會在收縮階段繼續(xù)增加。當(dāng)宇宙開始收縮時(shí)，或者在黑洞中，熱力學(xué)和心理時(shí)間指向不會逆轉(zhuǎn)。 當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己犯了這樣的錯(cuò)誤時(shí)，你會怎么辦?有些人如 Eddington，從不承認(rèn)他們錯(cuò)了。他們繼續(xù)尋找新的、常常相互矛盾的論據(jù)來支持他們的觀點(diǎn)。其他一些人則聲稱從未真正支持過不正確的觀點(diǎn)，或者即使承認(rèn)了，那也只是為了顯示其不一致。我可以舉出許多這樣的例子，但我不！因?yàn)檫@會使得我太不受歡迎。在我看來，如果你書面地承認(rèn)錯(cuò)了，似乎要好得多，也少些混亂，愛因斯坦是個(gè)好榜樣。他說，"宇宙常數(shù)"，這是當(dāng)他試圖建立靜態(tài)宇宙模型時(shí)引進(jìn)的，是"我一生中最大的錯(cuò)誤"。 問題仍然是，為什么熱力學(xué)與宇宙學(xué)指向指著相同的方向。為什么無序沿著與宇宙隨之膨脹的時(shí)間相同的時(shí)間方向增加。 如果你相信，宇宙將膨脹，然后再收縮，問題就變成，為什么我們生活在膨脹階段而不是收縮階段。可以根據(jù)"弱人擇原理"回答這個(gè)問題。收縮階段的條件不適合有智慧人類的存在——這樣的人類能夠問：為什么無序沿這樣的時(shí)間方向增加，沿此相同的時(shí)間方向宇宙在膨脹?宇宙早期的暴脹意味著，宇宙在很長的時(shí)間內(nèi)不會重新坍縮。到那時(shí)，所有的星都燒盡了，其中的重粒子可能己衰變成了輕粒子和輻射。宇宙將處于幾乎完全無序的狀態(tài)，或熱平衡。此時(shí)，再沒有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間指向了。然而，對人類活動來說，定義明確的熱力學(xué)時(shí)間指向是必需的。人類需要消費(fèi)食物，即有序的能量形式，然后轉(zhuǎn)換食物成為熱這種無序的能量形式。因此，智慧生命不可能在宇宙的收縮階段存在，而只能存在于膨脹階段。這便解釋了，為什么我們看到熱力學(xué)和宇宙學(xué)時(shí)間指向相同。并不是宇宙的膨脹導(dǎo)致了熱力學(xué)和心理時(shí)間指向，而是無邊界條件導(dǎo)致了熱力學(xué)時(shí)間指向的存在。這熱力學(xué)指向是定義得很明確的，在人類存在的時(shí)空區(qū)域里，它與宇宙學(xué)時(shí)間指向一致。 物理學(xué)定律不區(qū)分時(shí)間的向前和向后。然而，至少有三種指示時(shí)間方向并區(qū)分過去和未來的"時(shí)間指向"。它們是：熱力學(xué)指向，沿此時(shí)間方向無序增加;心理指向，沿此時(shí)間方向我們記得過去但不記得未來;宇宙學(xué)指向，沿此時(shí)間方向宇宙膨脹而非收縮。我已表明，心理指向由熱力學(xué)指向決定，兩者總是指著相同的方向。宇宙的無邊界假設(shè)意味著，存在定義明確的熱力學(xué)時(shí)間指向，因?yàn)橛钪媸加诠饣陀行虻臓顟B(tài)。我們看到熱力學(xué)指向與宇宙學(xué)指向一致?其原因是，智慧生命只可能存在于膨脹階段。收縮階段不適合人類生存，因?yàn)樗鼪]有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間指向。 如果你記得我說的每個(gè)詞，你的大腦將記錄約 15萬比特的信息。因此，你大腦的有序?qū)⒃黾蛹s 15萬單位。然而，在你聽我講演時(shí)，你轉(zhuǎn)換了約 30萬焦耳的食物形態(tài)的有序能量成為熱形態(tài)的無序能量，通過對流和出汗，你把這些熱量散發(fā)到空氣中。這將增加宇宙的無序約 3 X 1024單位，這約是因你記住我的講演而增加的有序的 20,000,000,000,000,000,000倍。因此，我想，在我們退化到完全無序的狀態(tài)之前，我最好現(xiàn)在就結(jié)束這個(gè)講演。 (敬克興 根據(jù) Stephen W. Hawking 于 1988年4月7日在伯克利加州大學(xué)的講演稿譯〉 原文發(fā)表在《物理》雜志1990年第7期405—408頁 來源：中國物理學(xué)會期刊網(wǎng) 編輯：yangfz 近期熱門文章Top10 ↓ 點(diǎn)擊標(biāo)題即可查看 ↓ 2. 漫畫 | 李政道和楊振寧是如何獲得諾貝爾獎(jiǎng)的？ 6. 盤點(diǎn)那些著名的學(xué)術(shù)造假事件|315特輯 9. 打死你也猜不到的14個(gè)數(shù)字規(guī)律問題 10. 世界到底是不是確定的？
|
|
|
