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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876960]
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“倒放”物理定律
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显示新鲜和意外是否存在的直观方法之一，是“倒放”物理定律。如果你认为物理定律如同一台计算机一般将初态转换到末态，那么你可以想象这些定律存在一个倒放开关，按一下便可以回溯时间。我们所需要做的便是启动倒放，同时输入系统末态。系统倒放的时间与之前演化的时间相同，唯一不同的是，物理定律的倒放可以将系统由末态变回初态。那些可以将每一个末态变回初态的物理定律，我们称它们具有时间可逆性（time-reversible）。
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让我们看一个简单的例子：地球自转的同时绕太阳公转。现在让我们反转时间的方向。这会导致地球自转及公转方向的反转，不过牛顿定律允许这样的绕行轨道。如果你将地球运转的短片给外星人看，他们会说（如果他们有物理定律的概念），牛顿运动定律决定着地球运行；当你将同样的短片倒放着给外星人看时，他们也会这么说。他们会认为，两种轨道都遵循牛顿定律。而当你执意让外星人分出哪个是原始短片、哪个是倒放，他们会莫衷一是。如果你放的是整个太阳系运动的短片，同样的事情还会发生，尽管这一次你包括了八大行星和其他许多天体。
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当然，我们看过许多倒放的短片，其中大多数显得搞笑又奇怪。其中的原因，常常并非由于物理定律不允许这些倒放中的运动，而是因为这些倒放的运动发生的可能性太低。以上说法对于包括大量个体（比如原子）的复杂系统是成立的。这里，我们会直面热力学，其中的定律随时间不可逆，我们将在第16章和第17章对它们进行详细讨论。[1]在此，我们仅仅考虑两个特别简单的例子。
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许多物理定律都具有时间可逆性，比如牛顿力学、广义相对论、量子力学。粒子物理标准模型几乎是时间可逆的，但并非完全时间可逆（弱相互作用随时间不可逆，但这一细节并不是很重要）。如果世界在某个时段按照标准模型演化，那么，当我们将时间反演（time reversal）与另两个附加变化一并进行时，我们将得到被标准模型允许的另一段历史。这两个附加变化是，左右互换以及电荷共轭。整套操作被称为CPT变换（C代表电荷共轭，P代表宇称，T代表时间反演），你可以将它视为另一种倒放短片的方法。任何与狭义相对论以及量子力学自洽的物理理论，都会在CPT变换下保持不变。
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这些可逆性提供了另一种时间非真的论据。如果自然规律的演化方向可以随意改变，那么，从原则上说，就没有过去与未来的区别。我们感知中的过去与未来大不相同，但依此观点，这不可能是世界的基本性质。未来和过去的不同要么是一种假象，要么起源于某些非常特殊的初始条件。
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q得力于对熵本质的细致研究，路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）技压群雄，成功地将原子世界与我们日常生活的宏观世界相连。他曾这样说过：“对于宇宙来说，时间的两个方向是无法区分的，就如同空间其实没有上下之别一样。”[2]如果过去与未来真的只是对同一堆内容的排列组合，如果两者没有实质性区别，那么当下的真实性以及时间流逝的真实性便是无稽之谈。人们往往将物理定律的时间可逆性视作全面驱逐时间道路上的又一步。
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我们再走几步，便可将时间从物理学中彻底驱逐。我们的下一步源自爱因斯坦的相对论，它将为时间的非真实性提供最为强大的论据。
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我9岁那年，父亲将一本特别的书带回我们在曼哈顿上西区的公寓——林肯·巴内特（Lincoln Barnett）写的《宇宙与爱因斯坦博士》（The Universe and Dr.Einstein）。这本书对相对论的解释令我们父子深深痴迷。时至今日，我依然可以回想起书中的示意图：那些加速的列车和那些弯曲的星光。这，便是我与物理学的第一次相遇。
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16岁那年，一次，我坐地铁去看望我那玩摇滚乐的表哥。乘车途中，我读到了爱因斯坦关于广义相对论的第一篇论文。那时，这些我所能读到的爱因斯坦的开创性论文，往往被人收录于廉价的平装合集中。[1]现在这些论文的待遇似乎还是一样。在阅读这些论文前，我还从未翻阅过任何一本物理教科书。16岁的我尚不知道，我所阅读的文章，最为成功地展示了如何使用清晰透彻的想法表述自然的本质。我非常幸运。爱因斯坦的笔触将我引入了物理世界。这种经历有点像让一个断奶的婴儿直接享用五星级的法式大餐。此后，如果你再想喂他麦片或者果冻的话，他可能会哭闹个不停。
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在此后的物理学学习中，我发现再也没有一个物理理论能在清晰性和优雅性上企及爱因斯坦的相对论：量子力学不及它，量子场论不及它，甚至牛顿力学也不及它。阐释牛顿力学的教科书，往往在给出诸如质量与力等基本概念时便开始循环定义，这些定义难以理解，常常导致逻辑混乱。正是因为我对物理的兴趣源自爱因斯坦，他的治学标准自然而然地成了我的治学标准，他的相对论理论成了我的试金石。对于任何一个有科学素养的怀疑论者来说，相对论的原理再为神圣不过。
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然而，正是爱因斯坦的相对论，认为真实的宇宙不随时间变化，时间不过是宇宙披上的一层假象。它为这一论断提供了最为有力的论据——这也正是过去我一直相信时间假象论的主要原因。
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爱因斯坦创造了两套相对论：狭义相对论和广义相对论。狭义相对论的世界不包含引力。它的创立基于爱因斯坦在1905年“奇迹之年”发表的两篇论文。[2]10年之后，广义相对论才被创立。这一次，广义相对论包含了引力。
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从本质上说，爱因斯坦的这两套相对论是关于时间的理论。但更确切地说，它们是关于去时间化的理论。在很多人看来，它们以难以理解著称。这并非事实。在我眼中，这两套理论美丽、简洁、非常易懂。确实，第一次接触相对论的人会发现它们违反直觉。这是因为相对论指出了我们脑海深处错误的直觉，将它替换为实验吐露的真知。学习相对论需要经历一个世界观的转变。我们不得不放弃潜意识中某些关于时间的假设。但在此之后，一切都会合乎逻辑地展开。
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在这一章中，我将仅仅讨论相对论中有关时间本质的观点与结果。大多数科普读物都会给出大量例证，用以连接爱因斯坦的简单前提假设与相对论违反直觉的种种推论。[3]这里我将跳过这一步骤，直接给出我认为的再清晰不过的相对论论断。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876962]
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他正在做什么
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让我们先考虑一下狭义相对论的两个基本概念。第一个是同时的相对性（relativity of simultaneity），第二个是块状宇宙（block universe），前者可导出后者。这两个基本概念是将时间驱逐出物理学的重要步骤。
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在构建狭义相对论的过程中，爱因斯坦针对时间的本质给出了两个策略。
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首先，他抛弃了绝对时间观而接受了相对时间观：时间意味着变化，时间描述的是我们所感知事物之间的相对关系；绝对时间或普适时间并不存在。
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其次，爱因斯坦使用了操作主义（operationalism），这一方法出现在爱因斯坦的早期工作中。操作主义认为，只有当我们规定诸如时间之类的物理量的测量方法之后，定义那个物理量才有意义。如果你想定义时间，就必须要描述你理论中所使用的时钟以及时钟的运行方式。站在操作主义的角度看科学，我们不应该问某物是否真实，而要问它能否被观测者观测。宇宙中观测者的情况必须被理论涵盖，比如，观测者身处何处、他是否运动。这样，你可以询问这些观测者是否对某一问题有着一致的答案。爱因斯坦的许多有趣发现往往起源于观测者们对同样的问题得出了不同的答案。