用洛伦兹变换和相对论解构时间——时间确实不存在源于人类无知

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想象一下,你正在和一个穴居人聊天。你告诉他,他每天在天空中看到的太阳都是同一个太阳。并没有新的太阳每天从东边升起,然后又在晚上沉入大海。“但必须是一个新的太阳。它从那里升起,又从那里落下”他反驳道,并先指向东方,又指向西方。

关于时间,它不是真实的。事实上,一个普遍的当下甚至不存在。过去和未来在各方面都是一样的。我们认为时间会不可逆转地从过去流向未来,这是一种源于我们对世界的无知的幻觉。它只存在于我们的主观知觉中,而不是作为客观现实的一部分。

现代物理学让这观点非常有说服力,几乎没有留下反驳的余地。让我们来看看时间,并在本文中解构它。让我们保持开放的心态去面对吧。

绝对的、真实的、数学的时间,就其自身而言,从其自身出发,匀速地流动,而不用考虑任何外在的事物。——艾萨克·牛顿

牛顿的力学理论建立在绝对时间的概念上。虽然这已经被认为是有史以来最成功的理论之一,但在20世纪初,当时间开始失去它的绝对性时,中国文化开始出现在这个理论中。我们将逐一否定时间的三大特性:普遍的,独立的,单向的。

爱丽丝和鲍勃坐在咖啡馆里。鲍勃接到他妈妈的电话,让他回家,所以他开始以恒定的速度回家。爱丽丝仍然坐在咖啡馆。

为了简单起见,如果我们假设爱丽丝和鲍勃只在一条一维直线上移动,然后我们在x轴上标出他们的位置,在y轴上标出时间,我们就得到了一个时空图,如下图所示。

图1:爱丽丝从她的参照系中所看到的。这就是爱丽丝从她的参照系中观察鲍勃的方式。但是鲍勃将如何观察爱丽丝呢?我们将使用一个经验证据,如果我看到你以速度v远离我,你也会看到我以相同的速度,以相反的方向远离你。

为了从鲍勃的参照系中获得时空图,我们将x轴向左滑动,同时保持y轴不变。这就是所谓的剪切变换。现在,鲍勃看起来是静止的,而爱丽丝看起来在向相反的方向移动。爱丽丝和鲍勃在图上画的线叫做他们的世界线。

图2:鲍勃从他的参照系中所看到的(在经典力学中)很简单。我们再添加一个对象。假设有一只猫和他们在一起。鲍勃一起身(回家),猫就开始以不同的速度朝鲍勃家的方向跑。爱丽丝和鲍勃参照系中的两张时空图如下:

图3:爱丽丝, 鲍勃和猫(在经典力学中)请注意这张图的一个重要特征,对于不同的观察者来说,猫似乎以不同的速度移动(猫的世界线在两个参考系中是不同的)。因为爱丽丝在没动,鲍勃和猫朝同一个方向移动,爱丽丝会认为猫的移动速度比鲍勃认为的快。剪切变换在经典力学中运作得很好,但当我们考虑物体以接近光速的速度运动时,就会有一个问题。

在19世纪末20世纪初,物理学家们试图解释一个奇怪的现象,无论你是朝着光源方向移动还是朝着远离光源方向移动,观测到的光速都是恒定的。

如果猫以光速移动会发生什么?根据上面所画的经典时空图,爱丽丝应该观察到猫以比鲍勃看到的更快的速度移动。而实际上,他们都测量出这只猫的速度为每秒299792458米,也就是光速。我们需要一种不同的变换,使以光速运动的物体(猫)的世界线保持不变,

为了适应这个光速不变理论,我们需要一个不同的变换,在这个变换中,当我们把参考系从爱丽丝的改为鲍勃的,一个以光速运动的物体(猫)的世界线保持不变。换句话说,爱丽丝和鲍勃都应该看到猫以相同的速度(光速)移动,即使爱丽丝和鲍勃相对于对方不是静止的。如果你还没有领会到这一点,再读一遍,让自己完全理解,这一点很重要。

洛伦兹变换就是这样的变换,它是爱因斯坦狭义相对论的核心。在了解洛伦兹变换之前,先看看下面的时空图。根据狭义相对论,如果我们用洛伦兹变换来适应光速恒定的现象,而不是经典的剪切变换,鲍勃就会看到这样的结果。

图5:爱丽丝, 鲍勃和猫(在相对论力学中)注意,猫以光速移动,它的世界线的经典变换中,它发生了变化。在图5的相对变换中,猫的世界线保持不变。下面是控制这个变换的方程:

图6:洛伦兹变换如果(t,x)是某事件在爱丽丝参考系中的时间坐标和位置坐标,它们将成为鲍勃参考系中的坐标(t ,x ),其中v是鲍勃相对于爱丽丝运动的速度,c是光速。

这能说明什么?这就是事情变得有趣的地方。在剪切变换过程中,新时间与旧时间相同,新位置只依赖于旧位置,时间和空间是相互独立的。穿越空间的运动和穿越时间的运动是两个不相关的东西。

现在,看看支配洛伦兹变换的方程,你会发现穿越时间和穿越空间的运动是相互影响的。时间和空间不再是独立的实体,它们是相对的,彼此依赖!

空间和时间是彼此关联的,只有两者的结合才能构成一个独立的现实。——赫尔曼闵可夫斯基

想象一下,你是地球上的科学家,你知道一个来自仙女座的敌对外星文明正计划在不久的将来攻击地球。你发明了一块神奇的平板电脑,它可以对仙女座敌军的行动进行实时报道,你给了你最好的两个朋友亚当和夏娃每人一个这样的平板电脑。

你得到消息,一场重要的会议将在仙女座举行,届时外星领导人将决定是否攻击地球。你让亚当和夏娃带着他们的平板电脑到你办公室。你和亚当坐在桌前,拿着他的平板电脑。亚当盯着屏幕告诉你,会议正在仙女座星系举行,外星军队的将军们正在讨论攻击地球的利弊。正当你脑子里满是该怎么做的想法时,夏娃突然冲进了房间。她在走向你办公室的时候检查了一下平板电脑,她看到外星飞船已经出发来地球了!

图7:仙女座悖论,亚当和夏娃看到了两个不同的现在时刻,因为他们是相对移动的。亚当、夏娃和他们的平板电脑都没有说谎。对亚当和夏娃来说,仙女座的当前时刻是不同的,因为它们彼此之间不是静止的。这就是罗杰·彭罗斯提出的仙女座悖论。

有必要再看一遍图6中的洛伦兹变换方程。在我们的日常生活中,速度和距离(用v和x表示)通常都很小。当xc 和 vc时,t 几乎等于t。因此,如果某件事发生在你的现在,它也会发生在我的现在。但在我们上面的例子中,仙女座离地球很远很远,洛伦兹变换方程式发挥了充分的作用。亚当的现在在仙女里发生的事情,根据夏娃,一周前就发生了。为v设置一些任意值(夏娃在走廊里奔跑的速度),看看亚当和夏娃两个人的时间差是多少。在一个参照系中同时发生的两个事件在另一个参照系中可能不同时发生。

我们粉碎牛顿绝对时间观的第一个支柱,时间并不是普遍存在的。你现在发生的事情可能存在于我的过去或未来,它也可能既不在我的过去,也不在我的未来,而是在一个无法到达的时空区域。

你认为将来会发生的事可能在我过去就已经发生了。不同的观察者目睹两个不相关事件的顺序是不固定的,亚当可能会说事件P发生在事件Q之前,而夏娃可能会说事件P发生在事件Q之后。在这种情况下,过去导致现在,现在导致未来,这是一种美好而清晰的关系。事实上,因果关系本身是崩溃的。详细请看我的上一篇文章()

1905年对物理学来说是非常特殊的一年。爱因斯坦在狭义相对论中表明了空间和时间以及质量和能量之间的依赖关系。1915年,作为广义相对论的一部分,爱因斯坦进一步将时空和质能等价结合起来。

减慢时间的不仅仅是速度,引力也起了作用。实际上,质量使时间减慢,而引力就是时间的减慢。如果物体掉下来,那是因为地球是一个巨大的物体,它使它附近的时间减慢了。在没有引力的情况下,时间会匀速流逝,物体会漂浮而不会掉下来,就像在外太空一样。

物理学家卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli)在他的《时间的顺序》中描述了亚里士多德和牛顿如何在时间和空间的本质上产生分歧。如果一切都不变,时间还会存在吗?亚里士多德会说不会,而牛顿会说会。在绝对的空无一物中,空间还存在吗?亚里士多德会说不会,而牛顿会说会。然后罗韦利诉我们,亚里士多德和牛顿的观点的综合是爱因斯坦对物理学做出的最有价值的贡献。

爱因斯坦说,即使没有有形物质,时间和空间也确实存在,但它们不是绝对的。它们和桌子、椅子、质子和电子等其他东西是由同样的材料构成的。时空是一个引力场。像其他场一样,它既不是绝对的,也不是统一的。它影响其他场,反过来又受到它们的影响。

我们相信,过去和未来之间存在着根本的区别。过去已经发生了。我们可能不记得所有的细节,但我们知道发生了什么。我们无法改变过去。

另一方面,未来还没有发生。所有的可能性都是开放的。计划财务、与配偶交谈、与雇主谈判、自我反省、锻炼、学习——所有这些我们做的事情都是为了塑造我们想要的未来。

然而,在描述现实的物理基本定律中,过去和未来是没有区别的。牛顿运动定律、爱因斯坦相对论、麦克斯韦电磁学或薛定谔量子力学中给出的方程都是可逆的,他们对待过去和未来的态度似乎在所有方面都是平等的。如果过去和未来没有区别,为什么我们记得过去而不记得未来?

区分过去与未来的物理定律只有一条,那就是热力学第二定律。它指出,一个孤立系统的总熵只能增加或保持不变,而绝不能减少。那么熵是什么,它和时间有什么关系?

如果一个系统从低熵状态开始,很明显为什么它的熵只会增加,因为任何分子的随机运动都很可能将系统带入一个更无序的状态。如果一个茶杯掉下来摔碎了,它的分子会以几乎无限种方式分散。破碎杯子宏观状态的可能微观配置的数量W远远大于完整杯子宏观状态的微观配置的数量。因此,我们经常看到一个茶杯碎成无数的碎片,导致它的熵值增加,但我们从来没有看到破碎的玻璃碎片自发地重新排列形成一个茶杯。

让我们再举一个例子。轻轻地向一杯黑咖啡中倒入一些牛奶。牛奶在顶部形成一层清晰的奶层。现在,不要管这个系统。当杯子里的分子随机地快速运动时,两层就会慢慢混合,导致熵的增加。但反过来,在一杯混合了牛奶的咖啡里,分子随意地旋转,偶然地重新排列成一层层整齐的牛奶和黑咖啡,这是不可能的!

一个物理系统总是从一个低熵的结构发展到一个高熵的结构。这种单向的熵值不断增加的趋势,给了我们时间从过去流向未来的感觉。这就是时间不可逆的原因。

宇宙开始于低熵状态,这就是生命存在的原因。熵从那以后一直在增加。我们的太阳最终会消亡。银河系的所有恒星最终都会消亡。整个宇宙将慢慢崩溃,最终达到最大熵或热平衡状态,能量和物质将在整个宇宙中扩散,使其成为一个寒冷、黑暗和荒凉的地方。

但想想这个,如果宇宙开始时处于高熵状态,恒星就不会被创造出来,就不会有地球,也不会有我们。为什么宇宙开始于一个异常低熵的状态是一个谜,但是它不可阻挡的向更高熵的状态的进化是时间的本质。

我们说一个完好无损的茶杯比一个破碎的茶杯更特别。但是,如果你决定列出组成茶杯的每个分子的确切位置,你会发现每一种可能的构型都是同样特殊的,而且发生的概率与其他构型相同。有序和无序的感觉之所以出现,是因为我们区分了一个茶杯和所有破碎的形状。如果我们单独区分杯子可能碎裂的每一种可能的形态,我们会发现每一种形态都是特殊的、奇特的、等概率的。在这种情况下,熵就没有意义了。

试着理解时间,就像捧着一片雪花,慢慢地,当你研究它的时候,它在你指缝间融化消失了。——卡洛·罗韦利

熵不是一个基本性质。它就像温度和压力一样,是一个统计数据。如果你孤立一个粒子,它没有自己的熵。熵的存在是因为我们以一种模糊和近似的方式看待现实。它的存在是因为我们无法区分我们所观察到的宏观状态的无数微观结构。如果你完全吸收了你周围微观亚原子状态的信息,时间的流动会消失吗?

有了关于世界状态的完整信息,过去和未来的区别就消失了。时间的流逝是由于我们不完美的知识而产生的一种现实扭曲。因此,时间源于我们的无知。

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