《时间的秩序》

#物理 #人生必读

00 Attachment/s32332471.jpg|150

短评

怎样爆吹这本书，在图书馆里读到数度落泪。读过后只会恨为什么没早读，就像了解了广义相对论后恨没早点多了解一样。举个例子，熵增近几年又被炒热，这个概念一点也不难。熵增作为时间的方向，也在很多文艺作品甚至公众号里都有详尽的解读，但公众号似乎没有告诉我们熵增是因为人类模糊的视角，而它并不一定是什么真正的宇宙真理。

此书门槛不高，篇幅很短，就算物理学知识不多读都不困难。作者号称是诗意科普作家，除了非常简单的表达、大量灵动的比喻，非常美妙的文字都在说教之余给人心里留下震动。

虽然无非就是把广义相对论、量子力学的原理，借时间概念编织在一起，也许找到对的内容看哪本都行。但毫不夸张的说，它甚至改变了我看待问题的全部角度，也对人本身所处的时间、空间、宇宙有了更加开阔的理解。有了这样一层视角，后续对宗教、哲学、科学、艺术的理解都会更容易。

作者还有另一本《现实不似你所见》，如果对量子力学感兴趣，可以进一步阅读。

笔记

第一部分 时间的崩塌

时间已经丢失了它的第一个方面或者说第一层：其统一性。在不同地方，它有着不同的节奏，在此处与在彼处的流逝并不相同。这个世界的事物交织在一起，以不同的韵律舞蹈。如果世界是由舞蹈的湿婆支撑着，那一定有一万个这样舞蹈的湿婆，就像马蒂斯（Matisse）画作中的舞蹈形象一样。

在世界的基本方程中，仅仅在有热量的地方，时间之矢才会出现。因此时间与热量的联系是根本性的：每当过去与未来的差别显现，都会有热量参与其中。如果一个过程倒过来看很荒谬，那么一定有东西被加热了。

在基础物理学中，这是唯一一个能够表明过去与未来有所区别的方程，唯一一个涉及时间流动的方程。在这非同寻常的方程背后，整个世界隐匿其中。

只有当我们以一种模糊与近似的方式看待宇宙的时候，“特殊性”的概念才会出现。

玻尔兹曼说明了熵之所以会存在，是因为我们以一种模糊的方式描述世界。他证明了熵就是我们模糊的视野无法区分的不同排列的数量。热量、熵、过去的低熵都是近似地、统计性地对自然进行描述的概念。

过去与未来的区别与这种模糊有深刻的联系。如果我把世界微观状态的全部细节纳入考虑，那么时间流动的特征会消失吗？是的。如果我去观测事物的微观状态，那么过去与未来的区别就会消失。比如，未来的世界由现在的状态所决定，过去也是如此。我们经常说原因先于结果，然而在事物的基本层面，“原因”与“结果”之间没有区别。（这一点将会在第十一章中更详细地谈到）规律，也就是我们所说的物理定律，联系着不同时间的事件，但在过去与未来之间，它们是对称的。在微观描述中，说过去与未来不同是没有意义的。

在搞清楚质量可以延缓时间这件事的十年之前，爱因斯坦就意识到，时间会被速度延缓。就对时间基本的直觉上的感知而言，这个发现是最具毁灭性的。

自从我们认识到“宇宙的现在”并不存在起，已经一百多年过去了。然而这个问题依然困扰着我们，似乎很难被概念化。常常有物理学家反对这一点，试图证明它不是真的。而哲学家继续探讨着“现在”的消失。今天，经常有会议讨论这一主题。如果“现在”没有意义，那么宇宙中“存在”着什么呢？这里的“存在”不正是“在现在”的意思吗？认为宇宙以特定结构存在于现在，并且伴随着时间流逝而改变，这种观念再也站不住脚了。

“狄拉克场”是构成桌子与星体的材料；“电磁场”构成了光，也是使电动机运转和指南针指北的力的来源。但是，关键之处在于，还有一种“引力场”：它是引力的来源，同时也是构成牛顿时空的材料，其余的世界涂画于其上。钟表是测量其广延性的机械，测量长度的尺子则测量其广延性的另一方面。时空就是引力场，反之亦然。

量子力学导致的三个基本发现如下：分立性、不确定性、与物理量的关联性。

量子力学的最大特点就是分立性，并且得名于此：量子即基本微粒。对一切现象而言，都存在着最小尺度。在引力场中，这被称作“普朗克尺度”，而最小的时间被称为“普朗克时间”。把描述相对论、引力、量子力学现象特征的常数结合在一起，就可以算出它的取值。这些量共同决定了这个时间为10-44秒。这就是普朗克时间。在这一极小层面，时间的量子效应开始显现。

分立性在自然界中无所不在：光由光的微粒也就是光子组成，原子中电子的能量只能取特定值而非其他。最纯粹的空气与最致密的物质一样，都是分立的。一旦理解了牛顿时空也是像其他物质一样的物理实体，就可以很自然地推断出它们也是分立的。理论确认了这一想法：圈量子引力预言，基本的时间跳跃虽然很小，但有限。

“涨落”并不意味着现象永远不能确定下来，而是说它只能在特定时刻、以某种不可预知的方式确定下来。当量子与其他事物相互作用时，不确定性就消失了。在相互作用的过程中，电子会在某点突然出现。比如，它与屏幕碰撞，被粒子探测器捕捉到，或是与光子碰撞，从而获得具体位置。但电子的这种实体化有个奇特之处：只有当与其他相互作用的物体发生关联时，电子才会实体化。对于其他物体，相互作用的效应只会传播不确定性。只有与物理系统相关联时，实体化才会发生。我相信，这一点是量子力学做出的最激进的发现。

第二部分 没有时间的世界

整个科学的发展都表明，思考世界的最佳方式应该基于变化，而非不变。不是存在，而是生成。我们可以把世界看作由物体、物质、实体这一类东西构成。或者我们可以把它看作由事件、发生、过程、出现组成。它不能持久，会不断转化，无法在时间中永恒。基础物理学中，时间概念的毁灭导致了以上两种观点中前者的崩塌，而非后者。这是一种领悟，认识到无常的普遍性，而不是一切在静止的时间里停滞。通过把世界看作事件、过程的集合，我们得以更好地理解与描述世界。这是与相对论兼容的唯一方式。世界并不是物体的集合，而是事件的集合。

像我们这样相信物理的人都知道，过去、现在与未来之间的区别只不过是持久而顽固的幻觉。

没有必要从这些变量里挑出一个特殊的量，然后把它命名为“时间”。如果想进行科学研究，我们需要的是一种理论，可以告诉我们这些变量相对于彼此如何变化，也就是说当其他变量变化时，某个变量会怎样变化。世界的基本理论必须这样来建构，并不需要时间变量，只需要告诉我们事物相对于彼此变化的方式，也就是告诉我们这些变量之间的关系是怎样的。

量子引力的基本方程就是这样构建的，其中不包含时间变量，而是通过指出变量之间的可能关系来描述世界。

第三部分 时间的来源

对于这个关系，还有另一种思考方式：反向来解读。即观察到一个宏观态，也就是世界的模糊形象，那可以被解释为具有一定能量的混合，这又会产生时间。也就是：宏观态→能量→时间这种观察开启了一种新视角：在一个没有任何像“时间”那样特殊的变量的基本物理系统中，所有变量都属于同一层次，但用宏观态来描述时，我们只有个模糊的概念——一般的宏观态会决定一个时间。

一个宏观态（忽略细节）选择了一个特殊的变量，该变量具有时间的某些特征。

当相互作用使得分子的位置确定之后，分子的状态就转变了。分子的速度也同样如此。如果先确定的是速度，然后是位置，即这两个事件的顺序是相反的，那么分子的状态就会以不同的方式转变。顺序是有影响的。如果我先测量电子的位置，再测量速度，那么它状态的改变就与先测速度再测位置不同。这被称为量子变量的“非对易”，因为位置与速度“不对易”，意思是说，它们交换顺序会有影响。这种非对易是量子力学的典型现象。非对易确定了顺序，在确定两个物理量的同时也带来了时间的起源。确定一个物理量并不是独立的行为，它需要相互作用。这些相互作用的效果取决于顺序，这一顺序正是时间顺序的最初形式。

阿兰·科纳的量子系统流与我之前讨论过的热学时间之间，有着极其紧密的联系。科纳证明，在量子系统中，由不同宏观态决定的热流是等价的，具有特定的内在对称性[插图]，它们共同形成了科纳的量子系统流。更简单点说，由宏观状态决定的时间与量子非对易决定的时间是同一现象的不同方面。

我相信，这个热学时间及量子时间，就是在真实宇宙中我们称为“时间”的变量，而在基本层面这个时间变量并不存在。

模糊的起源——量子不确定性，以及物理系统由无数分子组成这一事实，都是时间的核心。时间与模糊密切相关。模糊是由于我们不知道世界的微观细节。物理学的时间，从根本上讲，是我们对世界无知的体现。时间即无知。

过去与未来之间的全部差别也许单纯是因为熵在过去要低一些。熵为何在过去会低呢？在这一章里，我会叙述一种观点，提供一种可能的答案，“如果你要听我的答案，请明白这也许只是个不切实际的推测”。我无法确定这个答案是正确的，但我很喜欢这个答案。它或许可以解释很多事情。我们才是旋转的那个！

世界的两个部分——我与一个遥远星系之间的物理作用，也会忽略在那里出现的细节。我们对世界的视野之所以是模糊的，是因为我们所处的这部分世界与其余部分之间的相互作用会无视很多变量。这种模糊是玻尔兹曼理论的核心。从这种模糊之中，热量与熵的概念诞生——而这些与具有时间之流特征的现象紧密相连。一个系统的熵与模糊直接相关。它取决于我没有记录下什么，因为它取决于不可分辨状态的数量。同一微观状态，相对于一种模糊的状态熵也许很高，而相对于另一种状态也许熵就会很低。这并不意味着模糊只是一种心理上的构想，它依存于实际的、真实存在的物理作用。熵不是个任意或主观的量。它是个相对量，就像速度。

世界的熵并非只取决于世界的状态，也取决于我们模糊世界的方式，而这又取决于我们与哪些变量相互作用，即我们这部分世界与变量的相互作用。在遥远的过去，世界的熵在我们看来非常低，但这也许没有反映出世界的准确状态，也许只考虑了我们作为物理系统相互作用过的变量的子集。我们与世界之间的相互作用，以及描述世界所用的一小部分宏观变量，会产生模糊，正是由于这种显著的模糊，宇宙的熵才很低。这一事实开启了一种可能性：也许并不是宇宙在过去处于一种特殊状态，也许其实是我们，以及我们与世界的相互作用，才是特殊的。是我们决定了特殊的宏观描述。宇宙最初的低熵，以及时间之矢，也许更多源于我们，而非宇宙本身。基本的理念就是如此。考虑一个最壮观也最明显的现象：天空每天的旋转。这是我们周围的宇宙最直接又壮观的特点——它在旋转。但这个旋转真的是宇宙的特点吗？并非如此。虽然花费了数千年时间，但我们最终明白了旋转的是我们，而非宇宙。天空的旋转是一种视角的效果，是由于我们在地球上特殊的运动方式，而不是由于什么宇宙动力的神秘属性。对于时间之矢，恐怕情况也是类似的。我们作为物理系统的一部分，宇宙最初的低熵也许是由于我们与宇宙特殊的相互作用的方式。我们是宇宙某些方面很特殊的子集，正是这点确定了时间的方向。

对宇宙的熵而言，也许同样如此：也许它并没有处于什么特殊状态；也许是我们处于一个特殊的物理系统中，相对于这个系统，宇宙的状态才很特殊。

如果宇宙的一个子集在这种意义上很特殊，那么对这个子集而言，宇宙的熵在过去就很低，热力学第二定律就成立；记忆会存在，痕迹会留下，也会有进化、生命与思想。换句话说，如果宇宙中有这样的东西——对我来说肯定会有——那么我们就刚好属于它。此处，“我们”指的是我们经常接触并且用来描述世界的物理量的集合。因此，也许，时间的流动不是宇宙的特征，就像天空的旋转，来自我们在自己角落中的独特视角。

世界运转需要的不是能量，而是低熵。

原因、记忆、痕迹、世界生成的历史不止横跨了人类历史的几百年、几千年，而是宇宙故事的几十亿年。这一切都只源于这样一个事实：几十亿年前事物的结构是“特殊的”。而“特殊”是个相对的说法：相对于一种视角才特殊。它是一种模糊，由一个物理系统与世界其他部分的相互作用决定。因此因果关系、记忆、痕迹、世界以及发生的历史，都只是一种视角的结果，就像天空的旋转只是我们奇怪的视角的结果一样。于是，时间的研究不可避免地要回到我们自身。

世界上每个人都有自己的一种视角。通过对我们生存必不可少的广泛关联，世界在每个人那里得到映现。我们每个人都是复杂的过程，反映着世界，并以严格整合的方式，对我们接收到的信息进行加工和阐述。

在反映世界的过程中，我们把它组织为实体。我们会在一个大致均匀稳定的连续过程中，尽我们所能地通过聚合与分割来构想世界，与世界更好地相互作用

在身份的基础中，还有第三个要素，也许是最重要的一个：记忆。这就是这些细致的讨论会出现在一本关于时间的书中的原因。我们并不是连续时刻中的独立过程的集合。我们存在的每个时刻都通过记忆，由奇怪的三条线索与我们最近的和最久远的过去相连。我们的现在充斥着过去的痕迹。我们是自己的历史

康德在他的《纯粹理性批判》中讨论了时空的本质，把时间和空间都解释为知识的先验形式，也就是说，事物不仅与客观世界有关，也与主体的认识方式有关

这个空间——记忆——与我们从不间断的预期过程结合在一起，构成了我们把时间感知为时间、把自己感知为自己的来源。想一想：在没有空间或物质的情况下，我们的内心很容易想象自身，但如果不存在于时间里，它还能想象自身吗？至于我们所属的物理系统，由于它与世界其他部分相互作用的奇怪方式，也多亏了它允许痕迹存在，以及因为身为物理实体的我们由记忆和预期组成，时间的视角才得以为我们开启，就像一片狭小却明亮的林中空地。时间开启了我们通向世界的有限通道。对我们这些大脑基本上由记忆和预见构成的生物而言，时间就是我们与世界相互作用的形式——它是我们身份的来源。

当然也是我们痛苦的来源。

佛陀把这点总结为几句箴言，成千上万人都把这作为他们生活的基础：生是苦，老是苦，病是苦，死是苦，怨憎会是苦，爱别离是苦，求不得是苦。这些都是苦，因为我们必须失去我们所拥有的以及所爱的。因为一切生起的必然灭去。使我们受苦的不在过去或未来，它就在那儿，现在，在我们的记忆里，在我们的期待里。我们渴望永恒，我们忍受着时间的流逝，我们因时间而受苦。时间即苦。 这里可以参见：《洞见》

我们启程的时候，时间的形象还是我们熟悉的样子：在整个宇宙中均匀统一地流逝，一切都在这个过程中发生。在我们的观念中，整个宇宙都存在一个当下，一个“现在”，它构成了现实。对每个人来说，过去是固定的，已经过去，已经发生了。未来是开放的，还未确定。现实从过去流到现在，流向未来——在过去与未来之间，事物的演化本质上是不对称的。我们认为，世界的基本结构就是这样。这幅熟悉的图景已经土崩瓦解，证明它只是一个更为复杂的现实的近似物。

在这么多个世纪的历程中，我们对自然的理解已经取得了令人目眩的增长，而我们仍在继续学习。我们正开始瞥见时间的奥秘。我们可以看到没有时间的世界：可以用心灵之眼感知到世界的深刻结构，如我们所知，时间不再存在——就像山上的傻瓜看到日落时发现地球在转动，而我们开始发现我们就是时间。我们就是这个空间，这个在神经元连接里由记忆的痕迹开启的空地。我们是记忆，我们怀旧，我们期许着不会到来的未来。由记忆与预期开启的空地就是时间：有时是痛苦的来源，但终究是一份巨大的礼物。

无穷的混合游戏带来的宝贵奇迹已经为我们开启，让我们得以存在。现在我们可以微笑了。我们可以回去，把自己宁静地浸入时间——浸入我们有限的时光——去品味时光每一次飞逝的强烈震颤和我们短暂存在中的宝贵时刻。

安眠的姊妹

对我而言，我们对死亡的恐惧是进化的失误。在捕食者靠近时，很多动物会本能地恐惧与逃跑。这个反应很健康，可以让它们逃离险境。但这种恐惧只会维持一瞬间，不会一直伴随着它们。自然选择让这些大型类人猿产生了肥厚的大脑额叶，赋予了它们夸大的能力去预测未来。这当然是个有用的特权，但也把不可避免的死亡景象置于我们面前，引发了本能的恐惧与逃避。基本上，我相信对死亡的恐惧是两种不同的进化压力之下的一种意外产生的不当干扰，是我们大脑自动连接的糟糕产物，而不是什么有用或有意义的东西。万物皆有期限，即便是人类自身。

这是理性的说法，但我们的生活不是由理性论证驱动的。理性帮助我们澄清观点，发现错误。但同样的理性也向我们证明，我们行为的动机就深深刻在我们作为哺乳动物、狩猎者、社会动物的精密结构里，理性阐明了这些关联，但并不产生它们。我们最初并不是理性生物，也许我们后来会或多或少变成这样。在最初的时刻，我们被对生命的渴望、被饥饿、被爱的需求、被找到自己在人类社会中的位置的本能所驱使……如果没有最初的时刻，下一时刻甚至无法存在。理性在本能之间仲裁，但在仲裁中又将这些本能作为首要标准。它给事物以及这种渴望命名，让我们能够克服阻碍，发现隐藏的事物，让我们能够辨认出我们持有的无数无效策略、错误信念和偏见。它帮我们了解我们所追踪的痕迹——本以为可以带我们找到正在追逐的羚羊——实际上却是错误的踪迹。但驱使我们的并不是对生命的反思，而是生命本身。

然后乐声逐渐消失。“银链折断，金罐破裂，瓶子在泉旁损坏，水轮在井口破烂；尘土仍归于地。”这样很好。我们可以闭上双目，开始休息了。对我来说，这一切合理又美妙。这就是时间。