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時間遭遇空前危機：在量子世界，時間沒有意義？

科普小知識量子力學物理學家量子引力廣義相對論


時間遭遇空前危機：在量子世界，時間沒有意義？



時間這一概念已經印刻在所有人大腦中 ， 似乎就是與生俱來的存在 ， 它記錄著世界的一切 。 但在普朗克尺度上 ， 時間這個概念卻遭遇了危機 。 物理學家希望找到一種適用于量子引力領域的時鐘 ， 卻始終未能如愿 。 這是否意味著 ， 在最小尺度上 ， 時間沒有意義？
詩人們常將時間比作河流 ， 一條載著我們由出生至老去的自由流動的小溪 。 物理學家們則認為時間有著更具體的含義 。 他們用時間衡量變化 ， 無窮多個瞬間像玻璃珠那樣串在一起 ， 未知的將來、現在和已知的過去首尾相接 。
物理學中的時間悖論
時間是一種工具 。 目前時間可以被“切”到十萬億分之一秒那樣短 。 但被“切”的究竟是什么呢？不像質量和距離 ， 我們無法具體感知到時間 。 我們看不見 ， 聽不到 ， 聞不著 ， 摸不到也嘗不出時間；但我們竟能以某種方式測量它 。 愛因斯坦提出廣義相對論后 ， 許多物理學家都嘗試不斷拓展和精煉該理論 。 但該過程中遇到的最大挑戰 ， 就是時間 。
“危機出現了 ， ”加州大學河濱分校的數學家John Baez說 ， “一旦危機得以解決 ， 物理學將走向一個新的方向 。 ”這里說的不是日常生活中的物理 。 在我們生活著的低能量地球環境中 ， 秒表、擺鐘 ， 還有氫原子鐘都將繼續精準地記錄自然流逝的軌跡 。 但當物理學家們想要將宏觀宇宙和亞原子微觀世界合并在一起時 ， 危機出現了 。
在牛頓經典定律里 ， 時間是特殊的 。 獨立于研究對象之外的“宇宙時鐘”記錄著每一個瞬間 。 而在廣義相對論中 ， 這一假設不再成立 。 愛因斯坦認為時間并非絕對的——即不存在這樣一塊“宇宙時鐘” ， 并用他的方程解釋了引力在其中所起的作用 。 他的引力定律指出 ， 無論用何種計時器測量 ， 得到的結果都將一樣 。
不過 ， 在物理學的其他領域 ， 尤其是在量子力學中 ， 時鐘的選擇仍然很關鍵 。 在1926年薛定諤提出的波動方程中 ， 它扮演了重要角色 。 該方程展示了如何將亞原子微粒類比為一束波 ， 無論該微粒是獨自運動還是繞著原子旋轉 。 一個波簇可以在空間上從一點運動到另一點 ， 同時在時間上從一個瞬間過渡到另一個瞬間 。
從量子力學的角度來看 ， 能量和物質都可以被分割為離散的部分——即量子 ， 它的運動是跳躍而模糊的 ， 處在劇烈的波動中 。 不像火箭的軌道 ， 這些粒子的行為無法準確計算 。 利用薛定諤波動方程 ， 僅僅能得到某一粒子 ， 或者說某一波簇到達一個確切位置和速度的可能性 。 這與經典物理學描述的世界截然不同 ， 以至于愛因斯坦都抱怨這種不確定性 。 他斷不能相信上帝會和世界玩骰子 。
你也許會說量子力學為物理學引入了一種混沌：當精確得知某物的位置時 ， 相應地 ， 測得的速度將不準確；反過來 ， 在速度精確可知的情況下位置又是模糊的 。 海森堡很好地總結了這種獨特的現象 ， 即著名的“不確定性原理” 。 但所有的這些不確定行為都發生在一個確定的“舞臺”上 ， 即空間和時間均確定 。 事實上始終需要有一塊可靠的時鐘 ， 來記錄發生的一切以便物理學家們描述系統變化的機制 。 至少這是目前量子力學方程建立的方式 。
這也是問題的癥結所在 。 物理學家要怎樣將引力定律合并起來呢？即如何在量子力學定義的亞原子規則中 ， 無需特定的時鐘前提 ， 也能很好地吻合牛頓時間框架？
制造一個量子時鐘
在美國猶他大學的廣義相對論者Karel Kucha教授看來 ， 測量量子時間的關鍵是借助數學工具設計一種合適的時鐘——這也是他幾十年來一直在嘗試的事情 。 他一直試著尋找一種亞原子版本的牛頓鐘 ， 或者說是量子計時器 ， 它可以用來描述由量子引力影響的特殊尺度下的物理現象 ， 比如黑洞內部和奇點 。

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