未来已成定局？爱因斯坦时间观遭挑战

我们可以或许感受到时候在不断地流逝，但在爱因斯坦等物理学家看来，时候只是我们的感官所引起的错觉，曩昔、此刻和将来并没有什么分歧，早已被书写在四维的块宇宙之中。来自开普敦年夜学的宇宙学家埃利斯却标的目的这种不雅点倡议了挑战，他连系广义相对论与量子力学，构建了更合适我们直觉的时候不雅。乔治·埃利斯（George Ellis）并不害怕匹敌权势巨子。作为开普敦年夜学的宇宙学家，埃利斯把本身的目光放到了更为抽象的事物上：时候自己的流逝。

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在20宿世纪早期初次提出，传统理论认为的时候流逝只是一种错觉。曩昔和将来之间并没什么分歧，都早已当作心猿意马局。然而对于埃利斯来说，这种本家儿流理论的哲学寄义并不和我们的直觉相违反；他认为传统的设法很危险，因为他们褫夺了我们的自由意志与道德责任。埃利斯的科学方针是把时候带回物理学范畴，让宇宙可以缔造本身的将来，并付与我们改变命运的能力。

乔治·埃利斯认为爱因斯坦走得太远了——将来还不决。

块宇宙假说

17宿世纪时，在牛顿的《数学道理》里，这位英国的物理学家构建了一套合适我们日常经验的时候不雅。他描画了一块宇宙中通用的秒表，它的滴嗒声让整个宇宙的时候在每一秒、每一分钟、每一小时里平均地流逝。在牛顿的不雅念里，非论你的位置和活动状况，你城市赞成埃利斯在剑桥年夜学三一学院的长凳上花了十分钟喝完了咖啡。而每隔15分钟，他都能听见三一学院华美钟塔的铃声，这座钟塔早在年青的牛顿第一次踏进校园的半个宿世纪前就耸立在这里，精准地记实着时候的流逝。

1905年，爱因斯坦推翻了牛顿的宇宙存在绝对时候的协调图景。取而代之的是不协调的、相对的时候不雅，该不雅点认为分歧的人对统一事务的持续时候可能有分歧的感知，甚至分歧事物的发生挨次也纷歧致。年青的爱因斯坦意识到，时候事实上是我们所不雅察到的三维空间之外的第四维度，也在此根本上缔造了被称为“块宇宙”（block universe）的实际图景。

埃利斯认为，为领会释块宇宙是怎么一回事，你可以想象对一个地址进行持续摄影，好比剑桥的学生们带着书本去加入测验，内心不安地走过三一学院的场景。若是你将拍摄的照片一张接一张地挨次播放，你可以将其制当作一部片子，时候在此中天然地流逝，这与我们对时候流逝的感知一致。但若是你将照片全数堆叠在一路，学生们穿过院子的过程将一次性完整地揭示在你面前。第二种环境就与块宇宙的不雅点近似，曩昔、此刻和将来是同时存在的，时候流逝一说并无意义；所有事务都是彼此并存的。

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当然，一组照片只能展示沿着时候拍摄到的空间的两个维度。将其扩展到整个宇宙的三维空间，还要包含宇宙全数的汗青以及将来会发生的所有事，如许就能获得爱因斯坦理论下完整的块宇宙，就像一份静止的记实，包含了所有曾经发生和将要发生的所有事务。

埃利斯强调，块宇宙与播放一段持续时刻的片子分歧，块宇宙因为此中没有一个明白的时候点可以用来标明“此刻”，分歧的个别对哪个时刻属于“此刻”的认知并纷歧致，不存在一个并世无双的标识表记标帜来区分已经固心猿意马的曩昔和开放的将来。就像两个学生坐在院子里的分歧角落，从他们各自的角度看到的三一学院的钟塔的影子长度不相等，对于时候来说也是一样：爱因斯坦意识到在块宇宙中时候也只是另一个维度，那在时空中分歧位置的不雅察者对于统一个事务的持续时候可能有分歧的定见。也许有人会精确指出埃利斯花在喝咖啡上的时候不只10分钟。

不仅如斯。在爱因斯坦的块宇宙中，分歧的不雅察者看到的事务的发生挨次也可能分歧，就像院子里分歧位置的学生对于埃利斯是在钟塔的左侧仍是右侧会有分歧的观点。一小我感觉埃利斯在钟塔敲响下战书2点的钟声之后才喝完咖啡，而另一小我感觉喝完咖啡的时候在2点之前。这些差别完全取决于不雅察者在块宇宙中活动的速度和偏向，因为这会影响这些事务发出的光达到不雅察者所需要的时候。以人类所能达到的速度来说，这种差别小到难以察觉，但已经被在国际空间站和高速飞机上所做的尝试证实。

那么在块宇宙中，对一些人来说是将来的事在另一些人看来其实是曩昔，这要取决于不雅察者的位置和活动状况。未发生的事务对另一些人来说已经发生。将来对于你来说可能是未知数，但却早已当作心猿意马局。爱因斯坦本身是如许描述的：“对我们如许相信物理的人来说，曩昔、此刻和将来之间的不同只是一种顽固而持久的错觉。年夜大都物理学家已经学会接管爱因斯坦的宇宙不雅点以及宇宙的根基方程，确定所谓时候的“进步”偏向是肆意的，但埃利斯的直觉认为还有更深的次层需要研究。他说：“我回到这里测验考试研究对事物真实的感触感染”。

对于思虑时候的流动来说，没有什么比剑桥年夜学数百年汗青的三一学院更好的去向了，固然爱因斯坦认为将来与曩昔一样真实，埃利斯依然认为将来只是可能性的调集，直到它融入此刻这个时候点。

流掉的时候

固然埃利斯对于块宇宙里的时候不雅保寄望见，他依然钦佩爱因斯坦，并且在1960年搬到剑桥攻读宿世界闻名的宇宙学家丹尼斯·夏玛（Dennis Sciama）的博士学位时，这种敬意更深了。在担任研究人员的起头几年，埃利斯博得了宿世界级宇宙学家的声誉，因为他解决了爱因斯坦时空方程中一些棘手的数学难题。埃利斯钦敬爱因斯坦的数学独创性，可是块体宇宙理论从哲学意义来说，认为将来和曩昔都是注心猿意马，这一点埃利斯暗示思疑。

在剑桥，埃利斯很快就与年青的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）一路工作，他们同在夏玛的门下。霍金因为投身于研究宇宙发源以及黑洞素质而声名年夜噪，可是埃利斯并没有这般待遇。1973年，33岁的埃利斯分开了剑桥年夜学，并竣事了与霍金紧密亲密的合作研究，回到南非的开普敦年夜学数学系成立了本身的团队。

到了他学术生活生计的晚期，埃利斯在2005年时将他的注重力转移到了困扰他学生时代的根本物理学难题：在没有时候的实际不雅念中，要若何解决此中小我本家儿体缺掉的问题。为此，他从头审阅了爱因斯坦的块宇宙不雅，着眼于开辟一种连结最佳特征的新模子，这个模子既包含了尝试已经验证的时候相对性，也同时也恢复了另一个不雅点：素质上此刻与曩昔和将来是区分隔来的。

埃利斯的新模子并不是要倾覆块宇宙理论，而更像是对其的改良。他从2006年起颁发了一系列备受存眷的论文，在其理论框架中，埃利斯保留了四维时空，并且合适相对论的展望。然而，他认为爱因斯坦把这个不雅点推的太远，没有需要假设第四个维度已经延长至无限远处。是以埃利斯的模子与爱因斯坦的关头区别在于：将来的鸿沟并不包含所有将要发生的事。相反，时空的前沿标记着“此刻”标的目的外逐渐延长，一刻接着一刻，将明天的可能性在昨天就确定下来。“明天的宇宙将会比今天多一天”，埃利斯说：“曩昔是真实的，而且可以或许对此刻的我们施加影响，但将来还不存在，也无法影响我们。”

切碎块体宇宙

埃利斯的计较表白，固然相对论预言分歧不雅察者见到的分歧事务发生的挨次分歧，但与他的块宇宙延长理论并不矛盾。在埃利斯和爱因斯坦的图景中，分歧不雅察者所看到事务发生的时候差别与光从事务抵达不雅察者的时候有关。在爱因斯坦看来，这些事务和将来的所有事务可以配合存在。但埃利斯认为，这些事务必需存在于曩昔已形当作的块宇宙中，如许这些事务才能被心猿意马下来而且传输到其他人。同样，埃利斯也认为，两个不雅察者无法对统一事务的持续时候告竣一致，只会在事务已经发生之后。是以，埃利斯的时候模子保留了足够的块宇宙来合适相对论的预言，但不包含爱因斯坦激进地将第四维度延展至无限将来的假设。

若是埃利斯是对的，他要若何诠释宇宙的前沿不竭标的目的前推进的机制？他说“界面就是不确定的将来不竭转化为确定的曩昔的处所”。他从物理家们所熟知的另一个物理学分支上看到了但愿，这个分支认为可以或许将显而易见的不确定性转化为确定的实际。它属于量子力学的范畴，这是一种可以或许节制亚原子粒子行为的独特理论。

量子程度上都是由机遇和概率决议。例如，我们无法展望粒子切当的活动状况，包罗粒子的位置和能量，直到你去测量它。而在此之前，这个粒子由无数的可能性组成，处在由无数可能的位置、速度、能量所构成的“叠加态”。然而，一旦粒子被不雅察，这个含有各类可能性的泡沫将分裂，坍缩为一个单一、随机但确定的状况。这是一个严酷的单标的目的过程，一旦状况坍缩，粒子将无法天然地回到之前的多重态。而被不雅测之前我们也无法预知粒子坍缩后的状况，最终成果无法预先设心猿意马。

这种看起来与爱因斯坦的块宇宙相矛盾的理论已被尝试多次证实。几十年来物理学家深知量子力学与广义相对论无法相容。两者对时候的天然状况有分歧的不雅点，前者认为时候是天然流逝的实体，尔后者却认为时候只是我们本家儿不雅感触感染发生的错觉。这种不合当作为了同一量子力学和广义相对论的本家儿要障碍，而同一的量力引力理论将能诠释从原子到行星的宇宙万物。

量子力学的尝试给了埃利斯决定信念，他坚信时候是真实存在的，而爱因斯坦的单一块宇宙理论存在错误。“一些物理学家认为将来已经在今天已经确定，但我认为他们还没有当真地考虑量子不确定性，”埃利斯说，“对我来说，量子不确定性意味着将来的事在它真的发生以前都仍是未知数。”他认为在他的块宇宙延长理论中，不确定的将来经由过程一系列细小的量子事务逐渐固结为确定的曩昔。在每个事务中，粒子颠末自身内部矛盾力量的斗争，从起头的不确定量子状况转化为一个明白的状况。跟着临近的粒子都履历了这一过程，确定性的海浪将开放的将来变为已心猿意马的曩昔。

将来之路

埃利斯也许已经构建了一个将时候从头放回物理学的框架理论，但要说服他的同业们还很坚苦。牛津年夜学客座传授朱利安·巴伯很钦佩埃利斯，但他始终认为“时候”应该彻底从物理学的范畴中剔除出去。他认为，有些工具感受起来很天然，但并不料味着它就是对真实宿世界的精确描述。

巴伯说：“这让我想到昔时伽利略试着说服亚里士多德本家儿义者地球是绕着太阳转的。”直觉告诉我们脚下的这个星球坚实又安静，固然伽利略的设法与直觉相悖，但他毕竟是对的。巴伯相信，我们在时候的流逝中活动的设法，有一天也会像地心说那样当作为一种古老的不雅念。

加州年夜学圣地亚哥分校的物理学博士克雷格·卡伦德（Craig Callender）也能感触感染到埃利斯的沮丧：“物理学家们一向在冷笑我们的时候体验，认为那只是幻觉，是一种过时的设法。但即使这是幻觉，那也是最令人信服的一种”。块宇宙延长理论可能是对的，卡伦德说，但在埃利斯可以或许说服年夜部门同业之前，他还需要对量子过程有更严酷的诠释，在尝试中这一过程凡是只影响亚原子物体，它若何层叠推进乃至对整个宇宙发生影响。

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另一种否决定见认为人的不雅测可以或许让粒子的叠加态缩短为确定状况，但宇宙中存在年夜片人类无法不雅测到的区域，又由谁来供给这种不雅测过程？埃利斯则辩驳道，量子坍缩并纷歧心猿意马需要一个有意识的不雅测者，粒子每次发生碰撞，也能撞破它们的不确定状况。这种不雅点被称为退相关（decoherence），已被物理学家遍及接管。

埃利斯说：“在我看来，量子坍缩无时无刻、无处不在地发生”。他指标的目的一颗洒满阳光的树，弥补道：“每当一粒光子照射到一片树叶，这颗粒子的量子不确定性就会坍缩。埃利斯认可他的设法还只是猜测。“我不会说我的设法牢不成破，”他认可道，“但我认为在我的理论框架中，每件事都能讲得通。”

而且他还认为证实的责任不在他，而在于那些传播鼓吹时候只是幻觉的人们。埃利斯说，究竟结果，他的模子不仅仅经由过程量子尝试让时候看起来真实，并且也合适我们的一般感受，“这个尝试我们每小我，时时刻刻都在进行。”糊口自己就是一个得以撑持他的理论的尝试。

博科园-科学科普｜ 文：Zeeya Merali/举世科学ScientificAmerican/huanqiukexue

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