时间与物理学的未来

（文 / 苗千）

( 美国理论物理学家李·斯莫林 )

时间是什么，这大概属于那种“你不说我还清楚，你越解释我越糊涂”的问题，时间是每一天的潮涨潮落，是朱颜辞镜花辞树，是滚滚长江东逝水，时间是我们每一次的呼吸和心跳……但时间的本质是什么，它在物理学中又占有什么样的位置？美国理论物理学家李·斯莫林（Lee Smolin）希望通过他的新书《时间重生》（Time Reborn）来论述这个问题。

斯莫林目前是加拿大滑铁卢大学的物理学兼职教授，他也是滑铁卢著名的圆周理论物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics）的创始人之一，他的研究方向是圈量子引力（Loop Quantum Gravity）理论，同时也对科学哲学有深入的研究。斯莫林发表了上百篇的科学论文，此前也写过三部面向大众的科学书籍：《宇宙的生命》（Life of the Cosmos）、《三条通往量子引力之路》（Three Roads to Quantum Gravity）和《物理学的麻烦》（The Trouble with Physics），这三部书在大众和物理学界都产生过不小的反响。2013年4月出版的《时间重生》是他最新一部面向大众的科学著作。

与大多数普及性的科学书籍一样，《时间重生》并没有罗列数学公式，或是要求读者有深厚的理论物理学功底，斯莫林通过讲述科学进化的历史来表述自己的观点。与现代理论物理学对于时间的忽视相反，他用了整本书来论述，类似于进化论对于生物物种进化的描述，物理学规律同样也会随着时间进化，而时间则是整个宇宙最基础的性质。

作者随着对科学诞生和发展历程的回顾，开始怀疑数学的本质及其在科学发展中的作用：数学为什么会进入到科学研究中？原因就在于数学可以描述一个不受时间影响的、永恒的世界，而这种描述，是对于现实世界的绝佳模仿。数学是否可以永远模仿真实的世界，以及这种模仿的意义，作者都做了深入的探讨。

在科学的发端，古希腊人正是通过观察太阳、月亮以及其他星辰的运行规律来试图理解自然界的规律，由此开始了人类对于自身和宇宙的探索。在古希腊人最初描述宇宙规律的著作中，并不是使用数学，而是使用描述性的语言来讲述宇宙的规律。在古人的心目中，实际上存在着两个世界：一个是天堂般不受时间制约的完美世界，另一个则是人们所居住的现实世界。真正把这两个世界连接在一起的是人类历史上最伟大的科学家牛顿——他天才地证明了我们所居住的世界是数学性的，天体之间的引力与它们之间的距离有着非常简单的对应关系，而围绕太阳旋转的地球则按照几乎完美的椭圆形轨道运行。当我们扔出一个东西，这个东西将沿着抛物线运动，这个抛物线我们也可以通过简单的数学方程来描述。一个现实中机械化的、数学性的世界通过牛顿与人们想象中的理想世界统一起来。但是作者也指出，牛顿的伟大之处在于他对于自然规律的认识，而不是他的数学描述（这两者之间又如何区分？），这是人类理性的伟大胜利，但是理性又将把人类和科学引领到什么地方？

( 他的新书《时间重生》 )

对于一个机械化的宇宙来说，时间无足轻重，因为历史和未来都可以通过计算得出，“现在”并不具有特殊的意义，时间更像是一种“幻觉”，因为宇宙中所发生的一切都可以理解为粒子的重新排列而已。世界成为一个数学性的、不受时间制约的集合，而在爱因斯坦发展出狭义相对论之后，时间成为时空的一个维度。实际上，人类的世界观仍然在牛顿当初所构建的框架里：自然界只是由粒子构成，粒子的性质永远都不会改变，同时粒子运行的规律也永远都不改变。

《时间重生》的下半部分都用来反驳时间在物理学中无足轻重的观点，虽然在热力学中存在着“时间箭头”，指出了时间的方向，但是作者显然志不在此，他希望证明，时间是宇宙最重要和最基本的性质，它比人类目前发现的物理学规律更加基础，而且，物理学规律也随着时间的推进而演变，对于时间本质的认识，关系到科学未来的发展方向——这也正是本书名字的由来。

人类发展带给人类最重要的财富是什么？作者认为并不是技术，而是想象力。现在，人类可能更需要对于时间本质的想象。物理学通常以宇宙的一个部分为研究对象，从而推导出自然的规律，但是当物理学衍生出宇宙学，以整个宇宙为研究对象，此时人类所习惯使用的科学方法将不再起作用：首先，人类自身就是宇宙的一部分，无法以整个宇宙为整体来做实验；其次，人类也不可能改变宇宙的性质，或是制造出其他不同的宇宙来进行对比试验。因此，作者认为，牛顿所构造的世界观不再适应宇宙学研究的需要。

自然界的规律是否是一成不变的？这是一个问题。作者提到，有很多著名的物理学家，如保罗·狄拉克、约翰·惠勒、理查德·费曼等都曾经怀疑，自然界的规律并不是一成不变，这也正是时间的本质及其意义之所在。作者也讲述了爱因斯坦对于时间本质的迷惑：爱因斯坦曾经说过，“现在”的问题深深地困扰他。爱因斯坦认为，对于“现在”的体验对人类来说是非常特殊的，这种体验与“过去”和“未来”都非常不同，但是这种深刻的不同并不能体现在物理学中，这种体验并不能被科学所领会和描述，这对爱因斯坦来说痛苦而又无可逃避。

自然界的定律随时间演化也许可以解决这样一个问题，就是为什么人类会出现，为什么人类会在一个特定的时间出现？这可能正是自然定律进化的结果。作者在全书中花大量篇幅讨论数学与科学的关系，自从牛顿以来，数学已经成为人类描述世界的语言，但是作者对此并不完全认同。作者认为，数学和逻辑学都只是自然的某个方面，并不能用来完整地描述整个宇宙。数学犹如一面映射宇宙某一个角度的镜子，但是这面镜子并不适用于整个宇宙，因为数学也是宇宙的一部分。书中的一句话尤为引人注目：数学仍然是科学研究的侍女，但它不再是科学研究中的女王了。

作者对于数学与科学研究的关系的论述难免让人充满疑问。至今为止，数学都是人类用来描述自然界最精准和最优美的语言，但是作者认为，数学的不完备性导致人类无法认识宇宙的本质。作者同时认为，科学自身也无法完全解释宇宙：人类到目前为止遇到的任何问题都会指向科学，但是科学并不能告诉我们宇宙的本质。我们经历的每一件事情，每一个想法、表述、动作、目标，都是宇宙某一时刻的组成部分，宇宙对我们来说就是由一系列的“时刻”所组成的。这无法通过数学所表述。从另一个角度说，科学理论未必就是为了描述自然。量子力学的创始人之一尼尔斯·波尔就曾经说，一个科学理论并不是要描述自然，而是给我们一种操纵自然界事物的规则和与其结果相交流的语言。宇宙是它所包含的一切相互关系，因此宇宙只是存在并且运行，因此作者认为，追问宇宙为什么存在甚至不构成一个问题。宇宙的本质就在于时间以及随着时间演化的自然规律。

那么，自然规律又按照哪一种规律进行演化呢？作者称这种规律为“元规律”（Meta-law）。如果我们承认元规律的存在，作者论述道，我们将陷入到无穷无尽的追问中去：为什么是这种元规律而不是另外的一种，为什么宇宙的起始状态是这样而非其他，又是什么规律在支配元规律……作者认为，元规律未必存在，自然规律的演化结果可能是殊途同归，无论按照什么方式演化都会得到同样的结果。作为一位理论物理学家，作者认为，一个自然规律随时间演化的宇宙可能会使基础物理学更可预测。

斯莫林作为一个研究量子引力的理论物理学家，在这本书中的观点可能难以得到大多数同行的认同。作者在书中表示，对于目前在弦论等理论研究中过分追求数学形式上的对称性感到不满，他也不认为在黑板上进行的繁复无比的数学演算可以揭示自然界最深刻的本质。但作者认为，数学已经从“科学的女王”变为“科学的女仆”的论点，恐怕仍然会遭到大多数物理学家的反对。目前来说，数学仍然是人类深入理解宇宙本质的最直接也是最有效的方式。对于作者提出的自然规律随时间演化和循环式宇宙等观点，恐怕和现在流行的多重宇宙、人择原理等假说一样难于验证。

理论物理学家们在过去的几十年中一直希望把广义相对论与量子力学相统一，创造出一个包含整个宇宙所有规律的“大统一理论”，但是一直难以取得真正的进展。《时间重生》一书，正可以看作一个受挫的理论物理学家的反思，他希望通过这种反思开创一个物理学研究的新方向。但是书中过多猜测性的论述很容易把没有太多物理学知识的读者引入由众多名词和推论组成的丛林之中找不到出路，对于物理学家来说，本书的大多论述又难免有坐而论道的嫌疑，但是无论如何，《时间重生》一书都揭示了当今理论物理学研究的困境，以及研究者们感受到的迷茫。 科学物理时间物理学未来数学理论物理