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从科幻到科学,从文学到哲学,时间到底是什么?

曾梦龙2017-11-10 18:24:06

“时间是什么?种种时间机器可能会帮助我们理解。”

作者简介:

詹姆斯·格雷克(James Gleick),国际知名的科普作家。 1987 年,他的首部作品《混沌》入围美国国家图书奖和普利策奖决赛,并成为畅销书,使得“混沌”、“蝴蝶效应”的说法家喻户晓。其后他又陆续出版了《费曼传》(1992)、《越来越快》(1999)、《牛顿传》(2003)等书。他的上一部书《信息简史》(2011)荣获英国皇家学会科普图书奖、美国笔会爱德华·威尔逊科普文学奖、英国笔会赫塞尔-蒂尔特曼奖(简体中文版荣获 2014 年第九届文津图书奖),并成为国际性畅销书。他的作品已被翻译成三十种语言。

书籍摘录:

第一章 机器(节选)

年轻时,我对未来心存疑虑,视之仅是可能,可能会也可能不会实现,并且很有可能永远不会实现。 

 约翰·班维尔(2012) 

一个男人站在过堂风阵阵的走廊(又名十九世纪)的尽头,借着摇曳的油灯灯光,仔细检查一部由镍和象牙制成、装有黄铜扶手和石英棒的机器——一个低矮、丑陋的发明,描述得并不清晰,尽管罗列了材料和部件,可怜的读者还是很难想象出其模样。我们的主人公拧了拧螺丝,上了上油,然后起身坐上鞍座。他双手握住一根操纵杆。他即将踏上一段旅程。(我们也将随他一道。)当他按下操纵杆时,时间将如离弦之箭飞出。

这个人难以名状,几乎面目全无——除了“灰色眼睛”和“苍白脸庞”,没有更多描述。他甚至没有名字,只是简单被冠以“时间旅行者”:“因为这样称呼他方便。”[2]“时间”和“旅行”:在此之前从未有人想到过可以把这两个词搭配在一起。而那部机器呢?配有鞍座和横把,这就是一辆神奇的自行车。所有这一切都是一位年轻人的创造,他姓威尔斯,名以首字母缩写H.G.行,因为他觉得这听上去比赫伯特更庄重。家人则昵称他为伯蒂。他试图成为一名作家。他是一个彻头彻尾的现代人,信仰社会主义、自由恋爱以及自行车。作为自行车旅行俱乐部的骄傲一员,他会乘着一辆四十磅重自行车沿着泰晤士河谷上下骑行,细细体会驾驭这部机器带来的刺激:“运动的记忆残留在你的双腿肌肉中;人睡着了,双腿似乎仍在踩个不停。”有一次,他看到了一个印刷广告,推销一个称为哈克室内自行车的发明:一个装有橡胶车轮的静止架子,可供人足不出户进行锻炼,根本无须出行。也就是说,不在空间中穿行。但车轮转动,时间仍在流逝。

十九和二十世纪的世纪之交即将到来——一个引起种种末世联想的日期。那时阿尔伯特·爱因斯坦还是慕尼黑一所文理中学的学童。直到 1908 年,德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基才会提出其激进思想:“从此以后,单纯的空间以及单纯的时间将彻底缩减成不过是影子,只有两者的某种结合才能维持独立。”H.G. 威尔斯更早地得到了类似想法,但不像闵可夫斯基,威尔斯并不试图借此解释宇宙。他只是试图为自己的一段精彩故事想出一个听上去合理的剧情手段。

现如今,我们如此容易、如此娴熟地在时间中穿行,在我们的梦境中,在我们的艺术中。时间旅行给我们感觉就好像是一项古代传统,植根于上古神话,与诸神和巨龙一样古老。但事实并非如此。尽管古人想象出了长生不老、重生转世以及往生之地,但种种时间机器还是超出了他们的能力所及。时间旅行是一种现代幻想。所以当威尔斯在油灯照耀的房间中想象出一部时间机器时,他也发明了一种新的思维方式。

那么为什么不见于之前?又为什么是现在?

时间旅行者先上了一堂科学课。(或者这只是餐前的甜点?)他把自己的朋友聚在客厅的壁炉前,向他们解释说,他们对于时间的所有认知都是错误的。这些人是面目模糊的定型角色:医生、心理学家、编辑、记者、沉默不语者、非常年轻者、外省市长,以及人人喜爱的直肠子菲尔比,“一位长着红头发、爱好争论的人”。

“你们必须仔细听我说,”时间旅行者告诉这些没有血肉的角色,“我会不得不驳斥一两个几乎众所接受的认知。比如,你在学校里被教授的几何学其实是基于一个误解。”学校里教授的几何学(欧式几何)涉及三个我们能看到的维度:长、宽和高。

自然,他们一脸疑惑。时间旅行者接下来采用苏格拉底反诘法,用逻辑不断诘问他们。他们很快抵抗不住。

“你当然知道,一条数学上的直线,一条没有厚度的直线,在现实中并不存在。老师有教过你吧?一个数学上的平面也是如此。这些东西只是我们的抽象。”
“说得没错。”心理学家说。
“一个只有长度、宽度和厚度的立方体在现实中也并不存在。”
“这里我反对,”菲尔比说,“一个立方体当然可能存在。所有现实的东西——”
“大多数人是这样想的。但稍等片刻。一个瞬间的立方体能存在吗?”
“我不太明白。”菲尔比说。[可怜的家伙!]
“一个根本无法持续任何时间的立方体能在现实中存在吗?”
菲尔比陷入了沉思。“所以显然,”时间旅行者接着说,“任何现实存在的物体必须在四个方向上延伸:它必须有长度、宽度、厚度,以及——持续。”
 奥古斯特·莫比乌斯,来自:维基百科 

啊哈!第四个维度。一些聪明的欧陆数学家的想法其实早已突破了欧几里得的三个维度。这包括奥古斯特·莫比乌斯,其著名的“莫比乌斯带”是一个二维曲面在第三个维度上扭转了半圈;包括费利克斯·克莱因,其怪异的“克莱因瓶”暗示了第四个维度;还包括高斯、黎曼和罗巴切夫斯基,事实上,他们都在跳出盒子思考。对于几何学家来说,第四个维度是与我们已知的所有三个方向都垂直的一个未知方向。但有人能想象出那是什么样子吗?那个方向又是什么方向?甚至在十七世纪,英格兰数学家约翰·沃利斯在意识到更高维度的代数可能性后,称它们为“自然界的一种怪物,比奇美拉或半人马更不可能存在”。然而,越来越多地,数学找到了这些缺乏物理意义的概念的用处。它们终究可以在一个不一定要描述现实世界的抽象世界中大放异彩。

在这些几何学家的影响下,埃德温·艾勃特·艾勃特,一位中学校长,在1884年出版了一部想法新奇的小说《平面国:一部关于多维的罗曼史》,在其中,一个二维生物试图理解第三个维度的可能性;查尔斯·霍华德·欣顿,逻辑学家乔治·布尔的大女婿,在 1888 年发明了“tesseract”(四维超立方体)一词,用来描述立方体的四维类比。这个物体所包围的四维空间,他称为超体积。他还提出了其他类比,包括球锥、正五胞体以及三维球面。欣顿不太谦虚地为自己的书起名《思维新纪元》。他提出,这种神秘的、不可见的第四个维度可能为破解意识之谜提供了一个答案。“我们必然其实是四维生物,不然的话,我们无法思考四个维度。”他这样推理道。而为了生成关于这个世界和我们自身的心智模型,我们必定具有特殊的脑分子:“有可能这些脑分子具有四维运动能力,它们能在四维中穿行,并形成四维结构。”

曾有一段时间,在维多利亚时期的英国,第四个维度成为了一个收纳百宝箱,是各种神秘、未知、灵魂之物,也就是任何眼见不着的东西的藏身之所。天国可能在第四个维度;毕竟,天文学家的望远镜没有在我们的头顶发现它。第四个维度也是幻想家和神秘学者钟爱的隐秘空间。“我们正处在第四维大发现的前夕,这是板上钉钉的!”威廉·T. 斯特德在 1893 年这样大胆宣称道。这位揭秘记者兼《蓓尔美尔晚报》编辑进一步解释说,第四个维度可用数学公式表示,可想象出来(“如果你具有丰富想象力的话”),但不可亲眼得见——至少对“凡人”而言。这个地方“我们偶尔会在那些完全无法用任何三维空间的自然定律解释的现象中发现些许蛛丝马迹”。比如,千里眼。又比如传心术。他把自己的报告递交给灵力研究学会,请求他们展开深入研究。十九年之后,他登上“泰坦尼克号”,并命丧大海。

相较之下,威尔斯要冷静得多,也单纯得多。在他看来,这里面并没有什么“神秘”可言——第四个维度并不是一个神鬼世界。它不是天国,也不是地狱。它是时间。

H.G.威尔斯,来自:维基百科

时间是什么?时间不过是另一个方向,与其他三个方向都垂直。简单如斯。只不过一直没有人能够认识到这一点,直到现在——直到时间旅行者。“受限于肉体凡躯……我们不容易注意到这一事实,”他帅气地解释道,“时间与空间的三个维度的哪一个都毫无区别,除了我们的意识在沿着它的一个方向移动。”

在出人意料短的时间量级里,这个概念将成为主流理论物理学的一部分。

那么这个思想从何而来?当时它已经呼之欲出。很久之后,威尔斯试图回忆道:

在 1879 年我的大脑生活的宇宙,根本没有诸如时间是空间或其他类似东西的荒唐说法。有的只是三个维度,上下、前后以及左右,我从来没有听说过某种第四个维度,直到 1884 年或前后。当时我觉得它是一种妙语。

确实非常妙。十九世纪的人们有时会问(就像他们之前和之后的人们一样):“时间是什么?”这个问题会在许多不同语境中被提出来。比如,当你希望向孩子们解释《圣经》时。 1835 年的《教育杂志》便预想了一些追问:

第 1 节 起初,神创造天地。
“起初”是什么意思?时间的开始。——时间是什么?永恒的特定计量单位或一部分。

但每个人都知道时间是什么。过去如此,现在也如此。同时,又没有人知道时间是什么。奥古斯丁早在四世纪就表述了这个伪悖论,并一直被后人有意或无意地引用:

那么时间是什么?如果没人问我,我知道;如果我想向问我的人解释,我不知道。

艾萨克·牛顿在《原理》的开篇说每个人都知道时间是什么,但他接下去还是打算要改变大家的原有观点。现代物理学家肖恩·卡罗尔则说:“时间是我们给宇宙的不同时刻贴上的标签。”物理学家就喜欢玩这种妙语游戏。约翰·阿奇博尔德·惠勒据说曾说过:“时间是大自然用以避免所有事情同时发生的方法。”但伍迪·艾伦也说过同样的话,并且惠勒承认自己曾在得克萨斯州的一个男厕所里见过这句话的涂鸦。

查德·费曼也曾打趣道:“时间是当没有其他事情发生时正在发生的事情。”他知道这没有多大帮助,所以他紧接着说:“或许有益的做法是,我们接受这一事实,即时间属于我们很有可能无法(像词典那样)定义的事情之一,并且满足于说,它就是我们已然知道的,即时间是我们等待了多久。”

当奥古斯丁在思考时间的问题时,他确切知道一件事,即时间不是空间——“但是,主啊,我们感知到时间间隔,并比较它们,说有些较短,有些则较长。”也就是说,我们度量时间。“我们在时间流逝时通过感知它们对它们加以度量;但过去,它既不是现在,也不是尚未出现的未来,又有谁能度量呢?”奥古斯丁感到,你无法度量尚未出现的事情,或者已经消逝的东西。

在许多(但不是所有)文化中,人们视过去在自己背后,而未来在自己面前。“忘记背后,努力面前的。”使徒保罗便如是说。但将未来或过去视为一个“地方”已然采用了一个类比。时间中有像在空间中那样的“地方”吗?如果回答是,这意味着声称时间像空间。“过去是一个陌生国度:那里的行事不同。”未来也是如此。如果时间确实是第四个维度,那是因为它像其他三个维度:可被视觉化为一条直线,有可度量的“度”。然而,在其他方面,时间又不像空间。这种第四个维度不同于其他三个维度。那里的行事不同。

 詹姆斯·格雷克,来自:维基百科

将时间视为某种像空间的东西似乎出于我们的本能。而语言的选择进一步鼓励了这一点。我们只有这么些词语可用,于是“before”(在……之前)和“after”(在……之后)不得不担负起空间介词和时间介词的双重任务。“时间是运动在我们心中留下的一种心像。”托马斯·霍布斯在 1655 年如是说。而为了计算时间,“我们需要借助太阳的运动、时钟的运动或者沙漏中沙子的运动”。牛顿视时间绝对不同于空间(毕竟,空间“总是保持不动”,而时间“均一地流逝,而无须参照任何外物,并有着另一个名字,称为持续”),但他的数学创造出了一个不可避免的类比。你可以将时间和空间作为一幅图像的两条坐标轴。

到了十九世纪,特别是德国哲学家摸索着尝试将时间和空间以某种方式结合在一起。叔本华在 1813 年写道:“在单纯的时间中,所有事情前后相继;在单纯的空间中,所有事情排排并立;因此,只有通过结合时间和空间,并存的表象才会浮现。”就这样,时间作为一种维度开始从迷雾中显露身形。数学家现在可以认出它。而技术以另一种方式提供了帮助。对于任何看到火车在位置监控图(位置通过电报发送,并按时间进行标记)上一点点推进的人,时间顿时变得生动、切实、像空间了。“将时间和空间相‘融合’,这可能看上去有点怪异。”《都柏林评论》解释道,但瞧——下面就是一幅“相当普通的”时空图:

所以威尔斯笔下的时间旅行者可以言之凿凿地说:“科学家很清楚地知道,时间只是一类空间。这里有一幅大众科学图像,一份气象记录。我手指画出的曲线表明气压计的运动……毫无疑问,水银并不是沿通常认识到的空间的任何一个维度画出这条曲线的,是不是?但显然它画出了这样一条曲线,所以我们必须得到结论,这条曲线是沿时间维度画出的。”

进入新世纪,一切仿佛都是新的;物理学家和哲学家也以新的目光审视时间(Time,常常首字母大写)。在《时间机器》首次发表二十五年后,“新实在论”哲学家塞缪尔·亚历山大这样写道:

如果有人让我总结过去二十五年思想界的最典型特征,我会回答:时间的发现。我不是说,我们直到今天才认识到时间。我是说,我们才刚开始严肃地思考时间,才刚开始意识到,以某种方式,时间是万物构成的基本要素。

时间是什么?种种时间机器可能会帮助我们理解。


题图为电影《时间旅行者的妻子》剧照,来自:豆瓣

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