?深度書評 | 想在當(dāng)下——讀穆勒的時間物理學(xué)
撰文 | 李泳
時間是什么？你若不問，我倒是知道；若要我解釋，我什么都不知道。這是1700年前的奧古斯丁在《懺悔錄》說的，今天也可以說。時間一直是人們發(fā)呆的最佳借口，是哲學(xué)家無聊時最喜歡的沉思，如今也是物理學(xué)家思維漫游的課題。
哲學(xué)家（如海德格爾）慣用新名詞來模糊時間，讓它變得深沉而玄妙；物理學(xué)家更樂意從理論幻化出五花八門的時間圖景，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出藝術(shù)家的想象（如達(dá)利的“永恒的記憶”）。自相對論以來，物理學(xué)的時間不再是平直的流線（“逝者如斯”），而是與空間構(gòu)成可形變的“流體”，不再有獨(dú)立的意義。但我們有限的想象力無法真正將時間維度與空間維度融在一起，總是感覺它與空間不同，依然為它生出各種“幻覺”。正如“抱有信念的”愛因斯坦說的，“過去、現(xiàn)在和未來之差別的唯一意義，只不過是一種頑固的幻覺而已”。
近些年來，物理學(xué)家在更加頑固地尋求時間的“意義”，從量子走向生命、意識乃至自由意志。穆勒的書漫談了物理圖景下的時間，囊括了相關(guān)的概念、理論、實(shí)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)和問題。讀完全書，我們或許不會知道時間的物理學(xué)究竟是什么，但肯定可以知道今天的物理學(xué)漫畫了什么樣的時間。
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時間的理論就是相對論和量子論框架下的時間過程。在狹義相對論中，運(yùn)動令時間節(jié)奏變緩；在廣義相對論里，引力起著運(yùn)動（加速度）的作用，“樓上的時間跑得更快”（地球的引力場強(qiáng)度是高度的平方反比）；在黑洞旅行中，遠(yuǎn)處的觀測者會發(fā)現(xiàn)探險者無限緩慢地趨近視界（因?yàn)檫@一點(diǎn)，穆勒認(rèn)為根本沒有黑洞，它們要無限長時間才會形成），而探險者本人與尋常一樣幾分鐘就穿過了（這是所謂“宇宙監(jiān)督”假設(shè)下的圖景）；宇宙加速膨脹（因?yàn)榘的芰浚﹦t意味著現(xiàn)代的時間流在加速——這個效應(yīng)伴隨著宇宙暴脹，也許可以直接從引力波信號或間接從微波輻射的極化中找到證據(jù)。
在經(jīng)典電磁學(xué)里，電磁波的數(shù)學(xué)解存在推遲勢和超前勢，愛因斯坦與Walter Ritz還有過兩種“勢”的爭論。一般教科書都說超前勢違背因果律，沒有物理意義；Ritz也那么想。但愛因斯坦認(rèn)為它既然是理論的一部分，就應(yīng)該留下來。后來，費(fèi)曼證明愛因斯坦是對的，電磁行為是時間對稱的，輻射沒有時間箭頭。雖然麥克斯韋方程是時間對稱的，邊界條件也能定義一種輻射的時間箭頭。在熱力學(xué)中，不可逆過程直觀表現(xiàn)了時間的單向性，于是普遍認(rèn)為時間箭頭就是熵增的方向。
彭羅斯在這方面挖掘得很深遠(yuǎn)。他的CCC（共形循環(huán)宇宙）理論就是為熵賦予一個數(shù)學(xué)形式（外爾張量），然后通過其共形變換構(gòu)想一個多世代的宇宙演化模式，形成一種新的宇宙時間圖景（因此書以時間為題：時間的循環(huán)）?；艚鸬葹楹诙礃?gòu)建了幾個平行于熱力學(xué)定律的法則，于是黑洞的演化（視界面積總是增加）也代表一種時間箭頭。
穆勒的態(tài)度是，時間箭頭的熵增解釋“漏洞百出”“幾乎肯定是錯的”。它沒預(yù)言任何物理現(xiàn)象，也沒得到什么實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。穆勒稱它“偽理論”（pseudotheory）。穆勒更看重量子的作用。由于量子的三個基本特征——態(tài)的線性疊加、波函數(shù)的坍縮（態(tài)的測量）和非定域性（量子糾纏）——量子的時間與相對論時間是完全不同的。由于量子力學(xué)是時間對稱的，并沒有內(nèi)稟的時間箭頭；甚至可以想象逆時間的粒子活動。
在費(fèi)曼圖中，正電子就等于逆著時間運(yùn)動的電子。這大概只能是一種數(shù)學(xué)形式，若要推及實(shí)在，倒能想象一個有趣的圖景：人死后靈魂“將”逆著時間回去，散射，然后順著時間運(yùn)動，變成另一個人。人們肯定接受不了對物理學(xué)的數(shù)學(xué)進(jìn)行如此的解讀。量子力學(xué)的困惑還在于“測量”，薛定諤貓的生死依賴于測量；也許一個完備的測量理論能告訴我們時間的起源和方向。
現(xiàn)在我們只有“記憶的”箭頭，即測量只影響未來而不能影響過去——這個意義的非對稱也是時間箭頭。在量子場論中，總是需要將場分解為正負(fù)頻率，正頻率波沿時間傳播，而負(fù)頻率波逆時間傳播。彭羅斯將這種頻率分解方法整體性地用于時空，創(chuàng)建了扭量——時空中的光線對應(yīng)扭量空間的一個點(diǎn)，而時空的點(diǎn)對應(yīng)為黎曼球。這樣，時空不再是物理學(xué)的最基本元素了。
本書的趣味，不在穆勒的時間理論，而在他的物理故事，幾個與時間有關(guān)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。第一個故事關(guān)乎宇宙微波背景。1967年，還在哈佛讀博士的Joseph Silk給自然雜志寫了一封信，針對新發(fā)現(xiàn)的微波背景輻射提出一個問題：原初火球的漲落是否殘留到星系可能形成的時期？這是當(dāng)年微波背景輻射激發(fā)的宇宙學(xué)興趣。
幾年后，穆勒請George F. Smoot一起做Peebles在新書《物理宇宙學(xué)》中建議的“新以太漂移實(shí)驗(yàn)”，通過觀測星系在自然宇宙坐標(biāo)系（即微波背景）的運(yùn)動來描述大爆炸宇宙的膨脹。這個實(shí)驗(yàn)名字令人想起相對論之前的為觀測地球在“絕對空間（以太）”運(yùn)動的老邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)（本為檢驗(yàn)以太，卻否定了以太），所以很多物理學(xué)家對實(shí)驗(yàn)抱有強(qiáng)烈偏見。穆勒說動了很多同行來支持，但后來因不滿NASA的官僚作風(fēng)而退出了，Smoot接手堅持下來，然后因發(fā)現(xiàn)CMB的各向異性獲2006年諾貝爾物理學(xué)獎（老師輩的Peebles到2019年才因CBM的理論獲獎）。
退出追溯時間起點(diǎn)的CMB實(shí)驗(yàn)后，穆勒轉(zhuǎn)向去追尋宇宙的終點(diǎn)（叫Ω計劃）（通過尋找超新星）。他寧愿拿15萬美元的Waterman獎金來啟動實(shí)驗(yàn)，而不愿看官僚的臉色?！靶液梦矣薪K身職位，有薪水，不需要聽任何老板的話?！睂?shí)驗(yàn)很冒險，那會兒他根本不知道接下來怎么辦——這份膽略是他從導(dǎo)師Luis Alvarez（因發(fā)現(xiàn)大量共振態(tài)獲1968年諾獎）那兒培養(yǎng)起來的（甚或青出于藍(lán)），跟他的也只有“二三子”。他為實(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)由他學(xué)生領(lǐng)導(dǎo)。理論預(yù)言，星系間的引力將減緩哈勃膨脹的速率。1992年，他讓他的第四個學(xué)生Saul Perlmutter主持實(shí)驗(yàn)，自己又跑去開拓新計劃。1999年，Saul帶著他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹在加速（可能關(guān)乎暗物質(zhì)），并因此發(fā)現(xiàn)獲得2011年諾獎。
時間箭頭意味著時間對稱的喪失。關(guān)于這一點(diǎn)，穆勒是有一點(diǎn)“遺恨”的。早在1960年代，他和老師Phil Dauber就發(fā)現(xiàn)時間對稱被打破了，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在統(tǒng)計意義上有95%的可信度，穆勒很得意。但Dauber認(rèn)為這對確認(rèn)一個大發(fā)現(xiàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，成功幾率幾乎等于零。結(jié)果沒能發(fā)表，穆勒失去了一次光宗耀祖的機(jī)會，一直耿耿于懷。多年以后，新的實(shí)驗(yàn)證明他們的結(jié)果確實(shí)錯了。穆勒得到一個很好的教訓(xùn)。
還有一個實(shí)驗(yàn)是穆勒在勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室做的p子實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)兩個完全相同（在量子力學(xué)意義上）的p子在不同時間衰變，猶如兩捆相同炸藥被同時點(diǎn)燃卻不同時爆炸。這等于說未來并不取決于當(dāng)下。那么，當(dāng)下能在多大程度上決定未來呢？這就牽出所謂自由意志的問題。p子似乎有自由意志。去年因新冠去世的數(shù)學(xué)大玩家John Conway在十幾年前提出“自由意志定理”，大概意思是實(shí)驗(yàn)者能自由選擇實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
這個問題歸根結(jié)蒂是量子的糾纏特征和測量問題，源自愛因斯坦等人提出的那個著名EPR悖論。自由意志定理以嚴(yán)格的形式證明了不可能存在決定量子態(tài)的 “隱變量”。關(guān)于這一點(diǎn)，穆勒在書中講了Freedman 和Clauser的實(shí)驗(yàn)——他們在1960年代就開始做實(shí)驗(yàn)證明隱變量，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)“正統(tǒng)的”量子力學(xué)是對的，不存在隱變量?！邦嵏擦孔恿W(xué)的妄想被實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)打得粉碎。”
粒子行為與人的自由意志（如叔本華和尼采）有什么關(guān)系呢？穆老的說法是，如果人類總是遵從概率法則，就不存在自由意志；如果人類老做不能基于外在影響預(yù)言的不太可能的事情，那就有自由意志了……
從物理學(xué)漫游到自由意志，恰好是因?yàn)槲覀儗r間有特別的感覺，但物理學(xué)不管感覺。穆勒費(fèi)了很多篇幅來談物理學(xué)以外的事情。他認(rèn)為假如人就是機(jī)器，“當(dāng)下”（時間）也就沒有意義了。因此我們需要知道怎么看，怎么聽，知道心（soul）和腦（brain）的感知（人體如何處理信號）。但是，在穆勒看來，所有與人有關(guān)的（anthro-）時間的解釋，與熵一樣，都是泡利所說的“連錯都算不上”（not even wrong）。
BOOK TIME
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