时间遭遇空前危机:在量子世界,时间没有意义?

mmcc new product    October 15, 2018    view:314

时刻这一概念现已印刻在全部人大脑中,好像就是与生俱来的存在,它记载着国际的全部。但在普朗克标准上,时刻这个概念却遭受了危机。物理学家期望找到一种适用于量子引力范畴的时钟,却一向未能如愿。这是否意味着,在最小标准上,时刻没有意义?

  诗人们常将时刻比作河流,一条载着咱们由出世至老去的自在活动的小溪。物理学家们则以为时刻有着更详细的意义。他们用时刻衡量改变,无量多个瞬间像玻璃珠那样串在一同,未知的将来、现在和已知的曩昔首尾相接。

  物理学中的时刻悖论

  时刻是一种东西。现在时刻可以被“切”到十万亿分之一秒那样短。但被“切”的终究是什么呢?不像质量和距离,咱们无法详细感知到时刻。咱们看不见,听不到,闻不着,摸不到也尝不出时刻;但咱们竟能以某种方法丈量它。爱因斯坦提出广义相对论后,许多物理学家都测验不断拓展和精粹该理论。但该进程中遇到的最大应战,就是时刻。

把时刻“切成薄片”:一台使用所谓的超精密跃迁界说时刻的氢原子钟。(来历:Wikimedia Commons)

  “危机呈现了,”加州大学河岸分校的数学家John Baez说,“一旦危机得以处理,物理学将走向一个新的方向。”这儿说的不是日常日子中的物理。在咱们日子着的低能量地球环境中,秒表、摆钟,还有氢原子钟都将持续精准地记载天然消逝的轨道。但当物理学家们想要将微观国际和亚原子微观国际兼并在一同时,危机呈现了。

  在牛顿经典规律里,时刻是特别的。独立于研讨目标之外的“国际时钟”记载着每一个瞬间。而在广义相对论中,这一假定不再建立。爱因斯坦以为时刻并非肯定的——即不存在这样一块“国际时钟”,并用他的方程解说了引力在其中所起的效果。他的引力规律指出,不管用何种计时器丈量,得到的成果都将相同。

  不过,在物理学的其他范畴,尤其是在量子力学中,时钟的挑选依然很关键。在1926年薛定谔提出的动摇方程中,它扮演了重要人物。该方程展示了如何将亚原子微粒类比为一束波,不管该微粒是单独运动仍是绕着原子旋转。一个波簇可以在空间上从一点运动到另一点,一同在时刻上从一个瞬间过渡到另一个瞬间。

  从量子力学的视点来看,能量和物质都可以被切割为离散的部分——即量子,它的运动是跳动而含糊的,处在剧烈的动摇中。不像火箭的轨道,这些粒子的行为无法精确核算。使用薛定谔动摇方程,仅仅能得到某一粒子,或许说某一波簇抵达一个切当方位和速度的或许性。这与经典物理学描绘的国际天壤之别,以至于爱因斯坦都抱怨这种不断定性。他断不能信任上帝会和国际玩骰子。

  你或许会说量子力学为物理学引进了一种混沌:当精确得知某物的方位时,相应地,测得的速度将不精确;反过来,在速度精确可知的情况下方位又是含糊的。海森堡很好地总结了这种共同的现象,即闻名的“不断定性原理”。但全部的这些不断定行为都发作在一个断定的“舞台”上,即空间和时刻均断定。现实上一向需求有一块牢靠的时钟,来记载发作的全部以便物理学家们描绘体系改变的机制。至少这是现在量子力学方程建立的方法。

  这也是问题的症结所在。物理学家要怎样将引力规律兼并起来呢?即如安在量子力学界说的亚原子规则中,无需特定的时钟条件,也能很好地符合牛顿时刻结构?

  制造一个量子时钟

  在美国犹他大学的广义相对论者Karel Kucha教授看来,丈量量子时刻的关键是凭借数学东西规划一种适宜的时钟——这也是他几十年来一向在测验的作业。他一向试着寻觅一种亚原子版别的牛顿钟,或许说是量子计时器,它可以用来描绘由量子引力影响的特别标准下的物理现象,比方黑洞内部和奇点。

  Kucha假定的时钟不像日常日子中的时钟那样,远远地“躲”在角落不受周围事物的影响;而是将作为不可或缺的部分,被置于量子引力发作效果的细小、密布的体系中。这一内置变量有其局限性:该时钟会随体系的改变而改变——所以为了记载时刻,就不得不处理这些耦合问题。某种程度上说,这就比方当你每次想要看时刻时,都得先拆开腕表并查看其作业状况。

  关于这种特别的时钟,最简略想到的就是简略的“物质钟”。Kucha指出,“这当然是咱们自古以来一向在用的时钟。现在咱们周围全部的时钟都是由物质组成的。”究其底子,传统的时钟就是挑选一套粒子或一种液体资料前言,再记载其改变。不过Kucha凭借纸笔,从数学大将物质钟引进量子引力范畴,那儿的引力场极强,一同概率性的量子力学效应开端呈现。

传统用来记载时刻的“物质钟”。图:pixabay

  不过Kucha表明,当你冒险进入该范畴时,“物质会变得越来越稠密”。它是这种极点环境下,任何或许用作物质钟的资料的丧命缺点;这些资料终究都会被碾碎。这一点或许从一开端就很显着,但Kucha需求精确得知物质钟被破坏的机理,以便更好地了解这一进程并规划新的数学东西来结构他设想的时钟。

  更有望用作量子时钟的是空间本身的几许特性:当婴儿国际胀大或黑洞形成时,监测时空的曲率改变。Kucha猜测这一特性即便在量子引力发作的极点环境中也能探测到。胀大中的国际为这一机制供给了最简略的例子。将婴儿期的国际幻想成一个不断胀大的气球,一开端其外表曲折得非常凶猛,跟着气球越来越大,其外表的曲率变得越来越小。Kucha解说说:“这一改变着的几许特性使得你可以辨明你所在的瞬间。”换句话说,这种几许特性可以被当作一种时钟使用。

  不幸的是,迄今为止Kucha研讨过的各类时钟针对同一体系别离得出了不同的量子表述和猜测。Kucha解说道:“将任何一种时钟置于时空中,都可以拿来核算量子力学并得到的相对应的成果。但一旦你换了一种时钟,比方根据电场的,就会得到彻底不同的成果。现在很难评判其中哪个是对的,亦或两者均不正确。”

  不止如此,选用的时钟最终还有必要不能被碾碎。量子理论以为空间被切割的程度存在一个极限。可以幻想的时空量子颗粒最小直径是10-33 厘米,也就是普朗克长度。在这个无限小的标准内,时空曲率变得跳动且不接连,时刻和空间都开端离散化,并跟着“不断定性泡沫”时隐时现。正如物理学家Paul Davies在《关于时刻》(About Time)这本书中所写的,“你有必要幻想全部或许的几许结构——全部或许的时空,空间歪曲和时刻歪曲交错在一同形成一种复合体,或许说是‘泡沫’”。

  只要充分发展的量子引力理论才干展示在如此小的时空标准下所发作的全部。Kucha估测,现在广义相对论中一些尚未发现的性质在这个标准下不会发作量子涨落,而有或许是接连的。假如这一猜测建立,该性质便可以用作Kucha一向以来在寻觅的时钟。Kucha怀着这样的期望持续探究着一个又一个或许。

  忘记时刻

  Kucha一向测验凭借一种时钟将广义相对论嵌入量子力学结构中。但许多研讨广义相对论的物理学家却以为应该反过来考虑——将量子力学融入广义相对论,把时刻作为一个维度来考虑。法国理论物理中心的物理学家Carlo Rovelli就是拥护者之一。

  “遗忘时刻吧,它仅仅一个简略的试验现实。”Rovelli表明。他致力于找出不需求时刻的量子引力理论。为了简化核算,他和搭档Abhay Ashtekar、Lee Smolin一同建立了一个不需求时钟的理论空间。凭借于此,他们使用了一套新的变量改写爱因斯坦的广义相对论,以便更简略地了解和习惯量子标准。

  他们的理论使得物理学家们可以以一种新的方法去探究引力在亚原子标准的体现。但真的有或许彻底不以时刻为参考吗? “从一开端的狭义相对论到后来的广义相对论,时刻的经典概念越来越弱。咱们的考虑也需求时刻,但现实上咱们需求时刻考虑的这件事并不意味着时刻就是实在的。” Rovelli弥补道。

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