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1700877737 图3-2 月亮运动的时空曲线图
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1700877739 这种冻结时间的方法在科学研究中作用很大。通过它,我们无须在真实的时间中时刻去观察运动究竟是如何发生的;我们只需研究物体过去的运动记录,这项研究可以在任何时间进行。除了实用性之外,这种方法有着深刻的哲学推论,它支持时间不过是一种假象的观点。对于大多数物理学家来说,这种冻结时间的方法非常灵验,以至于他们往往忽视它的技巧本质。在将时间从自然描述中排除的过程中,这一方法起到了关键作用,并促使我们思考含时的真实世界与永恒的数学世界之间,到底存在怎样的关联。这一关联至关重要。我想通过一个日常的例子来细细描述,我们可以通过一场接物游戏来管中窥豹。
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1700877741 2010年10月4日下午1点15分,多伦多市高地公园东侧。小说家丹尼与他刚认识的诗人珍妮特正在玩一场接物游戏。他今早刚刚从满是袜子的抽屉中找到一个网球,现在他将球向珍妮特投出。
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1700877743 为了对丹尼的投球过程仔细研究,我们会借鉴第谷和开普勒研究火星的方法。在观测球的运动时,我们会在一系列的时间点上记录球所在的位置。随后,我们通过作图来展示结果。为了做到这一点,我们需要给出一个参照物,用以定义球的相对位置,这里我们选取丹尼本人。我们还需要一口时钟。对伽利略来说,观测快速运动的球是一个不小的挑战。我们会对投出的球进行拍照,然后一帧一帧地研究球所在的位置以及帧所处的时间。通过测量球在一帧中的位置,我们可以得到两个数字,一个用来描述球离地的高度,一个用来描述球到丹尼的水平距离。当然,空间是三维的,我们还需要描述球投掷的方向才能完整地描述球的位置。在此,为了简化问题,我们假设丹尼向南面投球。当我们加入帧所处的时间后,每一帧的信息都对应一个三重数组:(时间1,高度1,距离1)(时间2,高度2,距离2)(时间3,高度3,距离3)……球的轨迹测量结果正是这一系列的三重数组(见图3-3)。
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1700877748 图3-3 对丹尼投球的测量
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1700877750 以上数据提供了研究运动的重要科学工具,然而它们并不是运动本身,它们只是数字。通过测量沿特定方向运动的球,这些数字被赋予了意义。真实发生的现象与以上数据有着诸多差别,比如,球的很多属性被忽略了,虽然我们记录了球的位置,但球的颜色、重量、形状、大小、材质都没有被记录。更为重要的是,球的运动在时间之中一步步地展开:它只可能发生一次,随后消失于过去。这一运动留下了测量记录,通过这种方式,时间被冻结。
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1700877752 接下来,我们将测量信息图示化。图3-4是球在空间中的运动轨迹。我们看到,球划过抛物线,这也印证了伽利略的预言。又一次,我们看到,发生在时间之内的“运动”,通过测量记录变成了冻结于时间的“测量”结果,以及同样冻结于时间的相关图示。
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1700877757 图3-4 丹尼投球的测量记录及图示
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1700877759 一些哲学家和物理学家认为,这一过程对于我们认识现实的本质有着深刻意义;还有一些人则表示反对——数学仅仅是一种工具,它很有用,却并不意味着我们这个世界在本质上是一个数学世界。我们称以上两种人为“神秘主义者”和“实用主义者”。
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1700877761 实用主义者声称,为了检验运动规律的正确性,我们将运动转换为数表并在数表中寻找模式,这一过程自然而然。但实用主义者也会坚持说,运动的数学表示是曲线,并不意味着运动和它的表示相同。运动在时间中进行,而数学对象不会,这一点极好地说明了两者的不同。
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1700877763 一些物理学家成了像牛顿一样的神秘主义者,他们认为数学曲线比运动本身“更加真实”。一个深层的、永恒的数学世界不仅存在,而且完全不受转瞬即逝的经验的干扰,这一想法对于他们来说极具吸引力。他们臣服于这一想法,将真实与真实的表示合并,将运动与记录运动数据的图像等同。在放逐时间的道路上,这些科学家大步向前。
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1700877765 当我们如图3-2一般,将时间作为运动图像的一个坐标轴时,这一混乱更为严重。在图3-5中,我们将看到包括了时间信息的掷球轨迹。在图3-5中,时间的展示与空间的展示没有什么区别,似乎也是用尺子量出来的,我们称这样的时间为“空间化的时间”(spatializing time)。
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1700877767 我们将时间的数学表示与空间的数学表示统称为“时空”(spacetime)。在时空中,两者的表示有着各自独立的坐标轴。实用主义者坚称,时空并不是真实世界,它仅仅是一个人类发明。在丹尼将球扔给珍妮特的过程中,它不过是测量记录的又一种表示。如果我们将时空误认为真实世界,就会陷入时间空间化的谬论,这是我们将运动记录与时间本身搞混的后果。
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1700877769 如果陷入这一谬论,你会幻想宇宙不随时间改变,宇宙的本质是数学。但实用主义者会说,永恒性以及数学性,这些仅仅是运动记录的表示所具有的属性。它们不是,也不可能是真实运动的属性。确实,称运动“不随时间而变”是荒谬的,因为运动正是一种时间的表达。
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1700877774 图3-5 丹尼投球的时空曲线图
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1700877776 宇宙拥有一个任何数学表示都不具有的性质,正因为这一缺陷,数学对象永远不可能提供宇宙历史的完整表示。在真实的世界中,宇宙总是伴随着时间、伴随着当下。数学对象不可能拥有这一特点,它们一旦被构建,就不会再随时间而变。[1]
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1700877778 实用主义和神秘主义,这两种观点到底谁对谁错?这一问题的答案将决定未来物理学和宇宙学的发展方向。
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1700877783 时间重生:从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876954]
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