一座充滿可能性的時間迷宮
作者 | 保羅·哈爾彭
本文經(jīng)中信出版集團授權(quán)節(jié)選自《量子迷宮》第3章。全書講述了兩位偉大物理學家理查德·費曼和約翰·惠勒從結(jié)識到取得重大學術(shù)突破，成為一生摯友的故事。由于他們的工作，人們對時間和現(xiàn)實的認知發(fā)生徹底改變。
在歷史上，人類有過很多種時間模型。在古代，占主導地位的是周期性的時間觀，這或許并不令人驚訝。我們身體的節(jié)律是周期性的，天體的運動模式是周期性的，無休止的季節(jié)輪回也在提醒我們時間是周而復始的。占星術(shù)和轉(zhuǎn)世再生的概念長盛不衰，表明周期性時間觀在人們心中是多么根深蒂固。
大自然擁有無數(shù)種呈現(xiàn)其節(jié)奏的方式。宇宙中有互相嵌套的大小周期:從地球每天自轉(zhuǎn)一周，到它每年穩(wěn)定地繞太陽公轉(zhuǎn)一周，再到太陽繞著銀河系中心旋轉(zhuǎn)。夜以繼日，霜凍復融。月球繞著地球旋轉(zhuǎn)給潮汐賦予了周期，每個天體的能量平衡決定了它自身的周期節(jié)奏。
生物會對這些周期性模式做出反應，形成它們自己的周期性行為。鳥類會遷徙，熊會冬眠，鮭魚每年都要到河流的上游產(chǎn)卵。人類的生活也有類似的生物鐘，我們會按照固定的時間間隔起床、吃飯、睡覺，哪怕生活在陽光照射不到的角落時亦如此。如果試圖無視這些生理節(jié)奏，我們的身體就會背叛我們，讓我們自動醒來、饑腸轆轆、渾身疲乏。
既然日夜與季節(jié)都是循環(huán)交替的，就難怪大多數(shù)古代文化都認為時間在本質(zhì)上是周期性的。從瑪雅人刻在圓形石頭上的日歷到古代中國的太極圖，從古埃及的銜尾蛇(一條咬住自己尾巴的蛇)到古印度的阿育王之輪，全世界都有表示周期循環(huán)的符號。備受尊敬的古代歷法不僅包含日、月和年，還包含更長的周期——宇宙的毀滅與重生。
比如，根據(jù)以梵語寫成的古印度圣言經(jīng)文《往世書》(4世紀)，世界由時長不同的一個個周期組成。歷史在一系列不斷重復的時段之間前行，這種時段被稱為“時代”，每個時代都包含幾十萬年以上的時間。在有些敘述中，還有一種更長的時間周期，被稱為“大時代”，它包含數(shù)百萬年的時間。每個大時代又是一個更長的時間周期的組成部分，這個更長的時間周期被稱為“劫”，它長達數(shù)十億年。行星的排列等天文事件，以及地上的洪災、火災等災難性事件，都標志著這些周期之間的過渡。
周期性時間具有重復、可逆和決定論的特征。正如《圣經(jīng)·傳道書》中所說:“凡事都有定期”。只要等待得足夠久，周期中的每個階段都會重來。然而，周期性時間觀并不能解釋所有問題。自然世界中數(shù)不清的特征都表明，時間有時候更像一個單向箭頭。有這樣一個箭頭來自熱力學，熱力學是研究熱量和能量的學科。根據(jù)德國物理學家魯?shù)婪颉た藙谛匏乖?9世紀中葉提出的熱力學第二定律，對于任何封閉過程，有一個叫作“熵”的量要么保持不變，要么增加，但它永遠不會減少。熵反映了一個系統(tǒng)中有多少能量不能用來做功，熵越大，被浪費的能量就越多。
熵也可以用來衡量一個系統(tǒng)獨特性的缺失，一個系統(tǒng)越是獨一無二，它的熵就越小，反之亦然。通常來說，有序系統(tǒng)的熵要小于無序系統(tǒng)。這里所說的“有序”，是指系統(tǒng)中粒子排列的獨特性。
比如，同樣是水分子，把它們組合成一片具有特定圖案的雪花，就比組合成水坑中的一洼水要難得多。雪花中的各個水分子形成了極為復雜的排列，這比水坑中混亂的液態(tài)排列不尋常得多，因此前者的熵也小得多。根據(jù)熱力學第二定律，落在地面上的雪花可以融化成一洼沒有特定形狀的液體，但水坑中的水永遠不可能自發(fā)變成美麗的雪花。
開爾文勛爵猜想，宇宙的熵會隨著時間的推移逐漸增加，導致可用的能量越來越少，整個宇宙最終會進入一種被稱為“熱寂”的惰性狀態(tài)。到那時，為恒星內(nèi)核提供能量的大熔爐(我們現(xiàn)在知道，其能量來源是核能)將會停止運行，恒星的外殼會蒸發(fā)或者爆炸，只留下惰性的內(nèi)核。哪怕是這些溫度較低的殘骸(現(xiàn)在我們知道它們可能是白矮星、中子星或黑洞，依原始恒星的質(zhì)量而定)，隨著時間的推移，它們也會緩慢地把能量散布到太空中，直到整個宇宙變得毫無生機、索然無味。指向這一凄涼未來的路標，被稱為“熱力學的時間之箭”。
然而，生物進化的方向與這一箭頭的方向完全相反。生物學告訴我們，至少在我們居住的這個星球上，進化產(chǎn)生的結(jié)果是越來越復雜，而不是越來越簡單。生命幾十億年來的進化歷程展現(xiàn)了簡單的有機體如何通過自然選擇進化為高度復雜的生命形式，比如海豚、猩猩、狗和人類。即使最悲觀的人也會承認，人類比變形蟲復雜得多。人類擁有理解自身、預測未來、改造環(huán)境、繪制宇宙圖景等各種卓越的能力。人類智慧的產(chǎn)物——技術(shù)，變得越來越先進。因此，進化似乎賦予了我們另一個不斷上升的時間之箭。
那么，哪個箭頭最終會勝利呢，是熱力學的箭頭還是進化的箭頭？在沒有特殊變化的情況下，熱力學的箭頭最終會主宰我們的命運。生命的維系需要有序的能量源源不斷地注入，比如太陽或者其他可用的能量源。到最后，所有生物都會因能量失衡而死亡。地球上的生命如此脆弱，所以宇宙的壽命應該遠比他們長。不過，在一些人的想象中，比如艾薩克·阿西莫夫的科幻小說《最后的問題》，先進文明最終掌握了逆轉(zhuǎn)熱力學第二定律的技能，使生命組織的力量戰(zhàn)勝了衰敗的趨勢。
我們所有人，包括不理解熱力學時間之箭的人，都能強烈地感覺到時間的流逝。我們的意識似乎會一直推動著我們沿著時間前行，從出生到死亡。依據(jù)我們熟悉的日常經(jīng)驗，原因似乎總在結(jié)果之前。
雖然時間是無形的，但我們似乎無法擺脫它永不停息的流逝。是什么讓時間不停地流逝呢？我們對時間向前流逝的感覺會不會只是一種幻覺，就好像我們看到的動畫片其實只是一系列靜止圖片的快速翻動一樣？或者說，時間的流逝是一種真實現(xiàn)象，與某種箭頭有關？不管時間源于何處，不管它是幻覺還是真實存在，我們的意識都反映了另一種時間之箭。
然而，在描述自然的最基本層面上，線性的時間觀也有缺陷。約翰·惠勒和理查德·費曼的工作表明，量子世界中的某些過程似乎違反了因果律。麥克斯韋方程組產(chǎn)生的信號既可以沿時間正向運動，也可以反向運動，惠勒–費曼吸收體理論則把兩種方向的運動混合在一起。費曼迅速采納了惠勒的提議，即把正電子看作沿時間反向運動的電子，這進一步瓦解了粒子物理學中任何類似于時間之箭的東西。
對歷史求和的方法既不是周期性的，也不是箭頭式的，它提供了看待時間的第三種方式:由多種不斷分岔的可能性組成的迷宮。時間中的每個點都伸出許多指向未來的枝蔓，也生出許多指向過去的根須。這些枝蔓和根須不斷扭曲、轉(zhuǎn)向、融合，又再次分岔。在量子世界中，只沿著一個枝條前行是不夠的，你需要縱覽整棵樹才能洞悉它的全貌，不管它有多么錯綜復雜。
迷宮一詞可以追溯到一個著名的希臘神話，它講述了被囚禁在無法逃脫的迷宮中的半人半牛怪物彌諾陶洛斯的故事。在這個故事中，彌諾斯王指派才智過人的科學家、建筑師和發(fā)明家代達羅斯(生于雅典，但被流放于克里特島)為這個可憎的怪物建一處住所。代達羅斯建造了一座極為復雜的宮殿，里面有迂回曲折的走廊、螺旋狀的樓梯、高聳的塔樓和毫無可辨特征的房間，并給它取名“迷宮”，這是克里特島上的一個雙頭斧形神圣標志的名字。在這座宮殿完工后，代達羅斯把彌諾陶洛斯囚于宮殿中央，并告訴國王這個怪獸絕不可能逃脫。
彌諾斯的兒子在去往雅典的路上被一頭危險的公牛殺死了，為了復仇，彌諾斯決定每隔9年就把雅典的7個童男和7個童女送去克里特島，作為祭品獻給彌諾陶洛斯。這些童男童女一到克里特島，就被送入迷宮，沒有任何機會逃脫，只能絕望地被彌諾陶洛斯吃掉。
迷宮的設計如此精妙，他們根本逃不掉，只能漫無目的地在蜿蜒的走廊、復雜的通道和無盡的房間中徘徊，不知會在何時何地遇到怪獸的襲擊。在經(jīng)歷長時間絕望的等待之后，最終被怪獸吃掉。
一位名叫忒修斯的小伙子十分同情這些童男童女的命運，決定破解迷宮，并殺死里面的怪獸。彌諾斯的小女兒阿里阿德涅想幫助他，便聽從代達羅斯的建議，給了忒修斯一個線團，并把線的一頭系在迷宮的大門上。忒修斯走進迷宮，手里緊握著線的另一頭，一路尋找彌諾陶洛斯。他發(fā)現(xiàn)了正在睡覺的彌諾陶洛斯，把它死死地按在地上，赤手空拳地打死了它。之后，忒修斯憑借手中的線，艱難地逃離了迷宮。回到雅典后，他被人們奉為英雄，最終成了雅典國王。
許多學者，比如已過世的符號學家安伯托·艾柯，都將這個關于迷宮的傳說看作一個比喻，代指人類嘗試描繪并復制宇宙復雜性的過程。在這類詮釋中，代達羅斯代表典型的科學家。艾柯在《玫瑰之名》(Postscript to the Name of the Rose )一書中指出，迷宮的復雜性有不同的等級。單迷宮只有一條可行之路，而復迷宮有很多條可行之路。最復雜的迷宮被稱為根狀迷宮，它有無數(shù)條可能的路徑。在量子迷宮里，忒修斯可以走不止一條路，而可以同時走很多條路。
他不只能牽著一條線，而是可以布下由很多條線組成的天羅地網(wǎng)，同時探索多條路。在其中一些路上，他可以在自己精力充沛的時候就找到怪獸并打死它，而另一些路可能極端迂回曲折，以至于他走到精疲力竭，無力完成任務。這樣一來，雅典人在講述他的故事時，就需要把每一條可能的路徑都納入其中，對他更有可能選擇的路徑則要偏重一些。大多數(shù)時候，雅典人在復述這個故事時講述的都是忒修斯做出的最明智、最直接的選擇，但他們偶爾也要提及他做出的可能會把他自己送進地獄的愚蠢選擇。這種敘事方式不同于經(jīng)典的歷史敘事，它需要對歷史進行量子求和，這恐怕會讓研究希臘神話的學生更加困惑不解。
作者：保羅·哈爾彭 譯者：齊師傍
出版品牌：中信出版·鸚鵡螺
這是一本理查德·費曼和約翰·惠勒的傳記，講述了兩位物理學巨擘的人生歷程和科學生涯；也是一段從牛頓理論到愛因斯坦相對論再到量子力學的物理學史話。豐滿的人物、生動的故事，前沿的科學觀點、撞擊的思想火花，讓讀者對迷宮般的量子力學有一個全面、清晰的認知。
注：本文轉(zhuǎn)載自墨子沙龍。
