先哲们的时间观

　　【科海观潮】

　　撰文：弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）

　　翻译：胡风 梁丁当

　　我刚上大学时，想立刻就全身心地投入科学与数学的学习。但芝加哥大学却一定要对我进行文化的熏陶，我不得不选了很多古代哲学方面的课程。柏拉图、亚里士多德等先哲给我留下了深刻的印象。长远来看，他们甚至为我的物理研究提供了助力。

　　诚然，古代哲学家对物理学和整个科学领域的认知是天真的，甚至充满错误。以现代的标准来看，他们对科学几乎什么都不懂。但他们问了很多根本性的问题，并且进行了严肃的讨论。如果你想摆脱常规思维的束缚，那么这些古代的哲学家将会是你灵感的源泉：在追寻知识的最前沿，他们颠覆性同时又充满孩子气的问题将会指引你进入新的疆域。

　　“什么是时间？”奥古斯丁在《忏悔录》中问道。“我不知道。但如果没有事物流逝，就无所谓过去；如果没有事物到来，也就不存在未来。既然过去已经不存在，将来又尚未到来，那么过去和将来这两个时间又是如何存在的呢？”事实上，在刚过去的20世纪中，物理学家一直想回答奥古斯丁的这个问题。

　　爱因斯坦是古希腊哲学的推崇者。在他写下令他举世闻名的论文之前，他和他的朋友们曾经组成一个小社团，在一起讨论哲学、文学和科学等问题，他们开玩笑地将之命名为“奥林匹亚学院”。1947年，《纽约客》的记者报导爱因斯坦时写道：“他坚持每晚给他患病的妹妹玛雅读一小时的古希腊著作，即使他工作了一天之后，已经非常疲惫了。”爱因斯坦曾说：“一个受过教育的人怎么可以远离古希腊人呢？我对他们的兴趣从来都远甚于科学。”

　　在创立狭义相对论时，爱因斯坦意识到，如果要解释光速不变这个佯谬，即光速相对于所有运动的观察者都是个常数，他需要将一个哲学性的问题“时间是什么？”变成一个可操作的问题，即“我们怎么才能测量时间？”通过对这个问题的分析，爱因斯坦发现，相对运动的不同观察者将会得到不同的时间定义。

　　在日常生活中，我们能体会到过去与将来的巨大不同。我们记得过去但只能预测将来：过去的已经过去，将来的即将展开。如果倒着放一部普通电影，电影的内容将显得不真实，这与快进电影不一样。例如，人们不可能在倒车时开得那么快、那么猛，尤其是眼睛同时还看着前方。但是物理的基本原理并没有把过去和将来区别对待：无论在时间上往前还是倒退，这些基本原理同样准确（除了一些小的例外）。

　　那么，为什么过去和未来是等同的呢？尽管物理学家已经在这个问题的探索之路上取得了极大的成功，他们仍然希望能在实验中发现一种特别的新粒子——轴子，来为整个故事圆满收尾。轴子可以消除过去与未来之间可能存在的不对称。

　　与此相反的问题同样深刻：既然物理定律不区分过去与未来，那么为什么我们的这个世界有过去和未来的差别？至少我们的感觉是这样的。对此的理论解释大多是基于从有序到无序这个不可阻挡的演化趋势。制造混乱总是比收拾整洁来得容易。对这个现象的精确表述就是热力学第二定律，即一个孤立系统的熵总是随时间增加。而这个增加的趋势使得我们可以区分过去与未来。

　　秩序的“孤岛”当然会极力抵御无序的破坏，而我们人类就致力于发现这些秩序。我们喜欢在现在的生活中搜寻过去的痕迹，无论是残存的遗物还是记忆。物理学家在探索宇宙时也是如此。我们或许可以把这些工作叫作宇宙取证分析（cosmic forensic）。通过这些工作，我们已经找到了宇宙起源于大爆炸的证据。

　　如今的科学家掌握了很多强大的工具，但是最根本的发现仍然源于那些基本的、“天真”的问题。奥古斯丁大胆地问出：“什么是过去？”爱因斯坦教我们把这个问题变成：“我们怎样测量过去？”在量子世界中，这是个尖锐的问题——也是让我现在为之着迷的问题，因为测量是个破坏性的过程，会破坏被测量的量子态。

　　再一次地，先哲们指引我们前往未曾开垦的知识沃土。

　　作者简介

　　弗兰克·威尔切克是麻省理工学院物理学教授、量子色动力学的奠基人之一。因在夸克粒子理论（强作用）方面所取得的成就，他在2004年获得了诺贝尔物理学奖。

　　《环球科学》杂志社供稿

　　《光明日报》（ 2017年08月30日 14版）