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电子跳跃游戏和狭义相对论相悖。电子能在瞬间跨越任意大的距离,因而它们需要一种适用于相隔遥远事物的同时性,而这又要求信息的传播速度快于光速。无论如何,理论的统计预测重现了量子力学的结果,所以这些结果可能与相对论相容。可当你窥视幕后时,你会发现某个最佳同时性的存在。因此,最佳时间也将存在。这和德布罗意-玻姆理论的情况差不多。
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在上述两个隐变量理论中,充足理由律都得到了满足。对于单个事件过程来说,它们给出了细致的物理过程图景。这些图景可以解释量子力学所说的“不确定性”。但为此我们要付出高昂的代价——抛弃相对论原理。
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到底有没有隐变量理论可以和相对论原理相容?这个问题的答案是否定的。假设真存在这样的理论,那它必定违背自由意志定理。自由意志定理指出,只要定理的前提假设得到满足,就没有任何办法预测量子系统的行为(因此隐变量理论不存在)。这些前提假设之一便是同时的相对性。
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另一方面,前述贝尔定理排除了定域隐变量理论——这里,定域指的是这些理论中通信速度小于光速。但只要隐变量理论和相对论相悖,它就会成为一种可能的选择。
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只要我们一直在统计层次上验证量子力学的预测,我们就不需要知道量子间的关联到底是如何建立的。仅当我们试图描述纠缠粒子间的通信方式时,才需要瞬时通信的概念;仅当我们试图超越量子力学的统计预测,抵达隐变量理论后,才需要面对量子理论和同时的相对性之间的冲突。
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想要描述量子关联的建立方式,隐变量理论就必须接受特定观测者定义的同时性。进一步看,这意味着存在一个绝对静止状态;再进一步看,这意味着运动是绝对的,因为我们可以谈论某人是否相对于某个特定观测者运动。于是,运动便有了绝对意义。不妨让我们称那个特定观测者为亚里士多德。亚里士多德处于绝对静止状态,他看到的所有运动事物都在绝对运动。至此,故事结束。
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换句话说,爱因斯坦错了,牛顿错了,伽利略错了:相对运动并不存在。
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这就是我们要面临的选择。要么量子力学就是终极理论,我们无法穿透它的统计学外衣,一窥量子力学背后的深层次描述;要么亚里士多德是对的,绝对运动和绝对静止都是真实的。
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时间重生:从物理学危机到宇宙的未来
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我们已经看到,承认时间的真实性为我们开辟了一条认识世界的新途径。通过这一途径,我们得以了解宇宙如何选择自身的规律,也得以一探量子力学的神秘本质。然而,我们依然需要跨越一个巨大的障碍,一个来自狭义相对论及广义相对论的强大观点:块状宇宙图景。这一观点认为,宇宙的历史是一个超脱时间的整体,而这一整体才是唯一的真实。[1]
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块状宇宙图景依赖于狭义相对论的一个重要概念:同时的相对性(见第6章)。但如果我们假设时间是真实的,更具体地说,假设每一个现在的瞬间是真实的,那么在真实的现在与尚不真实的未来之间存在着一道真与虚假的边界。这道边界在所有参考系下的观测者眼中相同,这样的边界给出了一个普适且客观存在的同时性的概念。这种同时性适用于任何相隔遥远的事件,事实上,它适用于整个宇宙。这种同时性可以被称为“全局最佳时间”(preferred global time,这里冠以“全局”之名,是因为我们可以将以上时间的定义延伸到整个宇宙)。全局最佳时间的存在与相对论直接相悖。同时的相对性原理排除了这样的时间。另一方面,在第13章中我们看到,任何隐变量系统必然依赖一个全局最佳时间,这意味着充足理由律与同时的相对性原理存在矛盾。
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本章我们将解决以上矛盾,我们会选择支持充足理由律。这意味着我们将放弃同时的相对性,并采纳它的对立观点:全局最佳时间确实存在。值得注意的是,我们的取舍并不是对相对论的全盘摈弃,我们只需要对相对论进行一次改写。对于广义相对论深层次的全新解读构成了以上观点的核心,同时也向我们揭示了一个关于时间真实性的全新概念。[2]
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全局最佳时间
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全局最佳时间可以挑选出这样一批观测者:他们散布于宇宙的各个角落,却都用全局最佳时间校准自己的时间。这种观测者的存在意味着绝对静止状态的存在。绝对静止状态,这一概念使人回想起亚里士多德的静止观,或是19世纪物理学中的以太说。爱因斯坦以狭义相对论一举击败了以上两种观点。爱因斯坦之前的物理学家,往往相信光的传播需要媒介,因而认为以太不可或缺。同时的相对性原理声称,没有任何物体可以处于绝对静止状态。据此,爱因斯坦否认了以太说。
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这样看来,重提绝对静止状态不仅会制造矛盾,同时也令人沮丧。否认以太说常常被认为是一次批判性推理战胜惰性思考的典范。早先,人们可以相当容易地通过亚里士多德的观点来描述世界。后来,伽利略和牛顿建立了惯性系的相对性原理。据此原理,人们再也无法通过观测物体的运动与否来探测物体是否处于绝对静止状态。但是,静止就是不动的观念依然在物理学家的头脑中默默潜伏。当理论物理学家需要一种光的传播媒介时,绝对静止的观念就导致了以太说的流行。唯有爱因斯坦具备了破除以太说的洞见。然而现在,我们要重返全局最佳时间,它否认了爱因斯坦击败以太说的伟大胜利。这一忧虑成为一道心理障碍,阻碍着人们接受时间的真实性。至少当我试图说服自己时是如此。
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在讨论如何从理论上解决两者之间的矛盾之前,让我们先听听实验物理学有何意见。全局最佳时间的存在意味着最佳观测者的存在。这些观测者通过全局最佳时间校准自己的时间。他们的存在与惯性系的相对性原理相悖。相对性原理告诉我们,一个观测者静止或是以某个恒定速度运动,两者无法通过实验观测加以区辨。
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实验物理学告诉我们的第一点是,宇宙的特别结构确实可以挑选出绝对静止状态。透过望远镜对四周天空的观测,我们看清了这一点。我们发现,绝大多数星系正在以相同的速度朝各个方向离我们远去,但这种观测结果只会对一个观测者成立。假设另外一个观测者以很快的速度远离我们,他会发现那些在他前方,正被他追赶的星系的移动速度小于那些在他身后的星系。此外,我们有很好的证据证明,在大尺度下,宇宙中的星系分布均匀。也就是说,从任意方向观测宇宙,它看上去都差不多。根据以上事实,我们可以推断,空间中的任何一点,都可以有一个特别的观测者。在他眼中,星系以同样的速度朝各个方向离他远去。[3]由此,星系的运动挑选出了该点处的最佳观测者,进而挑选出了空间任何一处的绝对静止状态。
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微波背景辐射是另一种挑选最佳观测者的方法。在最佳观测者眼中,各个方向上的微波背景辐射的温度相同。[4]
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令人欣喜的是,通过以上两种方法挑选的观测者其实为同一类。因为一般来说,在微波背景辐射各向同性的参考系中,星系保持静止。如此看来,宇宙的构造确实可以挑选出唯一的绝对静止状态,这一事实的存在不一定与运动的相对性原理相矛盾。一个理论所展现的对称性并不一定要在其预言中呈现。事实上情况往往正好相反——预言常常不遵守理论中的对称性。空间中没有绝对方向并不意味着今天不会刮北风。我们的宇宙仅仅是广义相对论方程的一个解。现在这个解展现出了不对称性,具体来说就是允许绝对静止状态存在,这并不意味着需要破坏相对论本身的对称性。或许是我们宇宙的某个初始条件引发了这一不对称。
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另一方面,我们很想知道宇宙为何可以明确地挑选出最佳观测者,为何它处在这样的一个特殊状态。这又是一个有关宇宙初始条件特殊性的问题,也是一个广义相对论无法回答的问题。据此可以看出,宇宙中似乎还存在着一些无法被广义相对论涵盖的东西。这样看来,绝对静止状态的存在似乎指向了一些更深层次的东西,一种比广义相对论更深层次的物理。这值得我们深思。
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