【未解之謎】如何獲得超越時間的能力?

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大家好,我是扶搖,歡迎和我一起探索未解之謎。今天我們來談一談「時間的奧祕」。

在平常繁忙的生活中,我們常常聽到這樣的話,「快一點,時間來不及了」,「啊,我好忙,時間都不夠用了」。那麼大家有沒有想一想,這個「時間」到底是什麼呢?是太陽早上升起,晚上落下的變化?是鐘錶上秒針一格格的運動?一般人們都會認為時間是很簡單、基礎的東西,均勻流逝,從過去流向未來,可用鐘錶測量。可是如果有人告訴你,我們所認識的時間的概念並不存在,時間只是人的幻覺,你會相信嗎?

亞里士多德的時間觀

已知的第一個問出「時間是什麼」這個問題的人,是古希臘著名的科學家和哲學家亞里士多德。他在其著作《物理學》中提出了西方思想史上最早的經典時間觀。簡單來說就是,時間是對變化的量度。

舉個例子,有人早上出門,2個小時後回家。而這2個小時,就是「出門」與「回家」之間所產生的變化的量度。這時,大家就要問了,那按照亞里士多德的說法,如果一切都不運動,不發生改變,那時間就停滯了?就不存在了嗎?如果亞里士多德可以聽到你的問題,他會回答:是的。

可是大家又要問了,那麼為什麼,當我們在晚上關閉所有燈光,躺在床上一動不動準備睡覺時,還是可以感受到時間的流逝呢?

這個問題,亞里士多德也思考過。他在《物理學》一書中寫道:如果周圍一團漆黑,身體幾乎什麼都感覺不到,但心裡有些想法在改變,我們仍然會認為時間在流逝。也就是說,雖然外在看上去一切靜止,可是我們內心的變化,思想的變化也是一種運動。如果一切都不運動,就沒有時間,因為時間僅僅是運動的記錄。

牛頓的絕對時間

聽到這裡,大家會不會覺得,亞里士多德的想法好奇怪?如果你這麼想,那是因為大家都在學校中接受了現代物理學教給我們的牛頓時間觀。是什麼呢?

牛頓是現代自然科學奠基人之一,被喻為「近代科學之父」,他認為,世界上存在著無論如何都會流逝的「真實的」時間,它獨立於事物及其變化。就算所有物體保持不動,甚至我們靈魂的活動都凝滯了,這種時間仍然會流逝,不受任何影響。

牛頓在物理方程式中,用字母 t 表示時間。他假設時間t為獨立於事物、實實在在存在的、均勻線性流逝的實體。幾個世紀以來,在以牛頓模型為基礎發展出的現代物理學中,科學家用各種物理公式描述世界,而這些公式中都包含了t。

雖然很多人都已把「時間是獨立的,均勻的」這個觀點當作常識,可是,對人類而言,它並不是一個自古就有的很自然的直覺。實際上,大多數哲學家都不太認可牛頓的觀點。

德國著名的哲學家、數學家萊布尼茨(Leibniz)就相當反對牛頓的時間觀。據說,萊布尼茨的名字原本是寫做Leibnitz,中間有個t,為了表示他不相信牛頓的絕對時間t,他硬是把t從自己的名字中給踢了出去,所以,後來他的名字就成了Leibniz。

愛因斯坦:時間是幻覺

就在人們夾在兩個時代的巨人——亞里士多德和牛頓——中間,思考著誰的觀點才是真理時,另一個具有劃時代意義的科學巨匠——愛因斯坦帶著他的相對論跳了出來,他告訴大家「時間只是幻覺」,人們對「過去、現在和未來之間的區別只是一種錯覺,儘管是一種持久的錯覺」。

這又怎麼理解呢?在談這個之前,我們先說一個曾經讓好些物理學家百思不得其解的迷思——光速不變。

什麼意思呢?我們一般知道速度是相對的。比如說,一個人坐在每秒50米的火車上,火車上有一個皮球以每秒3米的速度在滾動。在這個人眼中,皮球的速度是每秒3米。而在月台上的人眼中,這個皮球的速度需要疊加上火車的速度,也就是每秒53米。

很多人想當然地覺得光速也是如此。然而,1887年,美國物理學家邁克耳孫和莫雷進行的一個實驗,給大家帶來了意想不到的結果。這個實驗被後人稱為「邁克耳孫-莫雷實驗」。他們在實驗中發現,不論地球運動的方向同光射出的方向是一致的或是相反的,測算出的光速都相同,也就是光速不變。

按照這個結論,如果將上面火車的例子中的皮球換成「光子球」,就意味著無論是火車上的人,還是月台上的人看到這個「光子球」都是以每秒3米的速度在運動。

「邁克耳孫-莫雷實驗」做了幾十年,實驗環境和條件改變了很多次,但是結論都是一樣的。這,怎麼可能呢?

會「變魔術」的時間

現在,終於輪到愛因斯坦出馬為大家解謎了。愛因斯坦認為,不存在絕對的時間,也不存在絕對的空間。他提出了一個「時空統一」理論,也就是時間與空間是一體的,叫時空。不能光說時間如何如何,或者空間如何如何,而應該說時空如何如何。物理學家把構成世界物質實在的物質叫做「場」,比如什麼溫度場、電磁場,而時空就是引力場。

引力場與世界上的其它物質並沒有什麼區別,它們都是場。世界是多個場的疊加,引力場只是其中一層。和其它場一樣,它既不是絕對的,也不是均勻的、固定的,它會彎曲、伸展,還會和其它場相互作用。

引力場,也就是時空,可以像平面一樣平滑,這就是牛頓描述的版本。但也可以波動起伏,我們所說的引力波就是如此,它會收縮與膨脹。

這樣「光速不變」的迷思就解決了,光速不變,是因為時間在變。那麼時間的變化,有沒有什麼規律呢?

這就不得不提到愛因斯坦的相對論了,愛因斯坦的相對論包括「狹義相對論」和「廣義相對論」兩個理論。根據狹義相對論,高速移動物體的時間流逝得比靜止的要慢。而廣義相對論則說,處於強引力場的物體時間流逝得比弱引力場的要慢,也就是說站在地上的人,頭部時間的流逝要比腳的時間流逝的要快,因為頭離地遠,比起腳,引力場要弱一些。這樣看來,說時常倒立可以美容美顏,還是有科學依據的。

那麼,愛因斯坦說的到底對不對呢?讓我們來看幾個經典有趣的例子。

原子鐘實驗

1971年,兩位較真的科學家約瑟夫‧哈菲爾(Joseph Hafele)和理查德‧基廷(Richard Keating)用數台銫原子鐘做了一個實驗。

大家知道,這個原子鐘相當相當準確的,德國的某種原子鐘,1億8千7百萬年內的時間誤差為1.7乘以10的負16次方,連一秒都不到。所以,用它來做實驗,衡量時間是否變化也就非常可靠了。

好,回到實驗,哈菲爾和基廷把兩個原子鐘分別放在兩架分別向東和西飛的商務客機上,並對比放在美國海軍天文台的原子鐘。

之所以一個飛機向東,一個飛機向西,是讓順著地球自轉方向的飛機獲得更快的相對速度,而逆著地球自轉的飛機,自然相對速度就慢了,這樣兩個飛機之間的速度差距就會變大,實驗結果的差別也就更明顯。

我們之前說了,按照廣義相對論,引力場弱的地方時間會變快,按照狹義相對論,速度快的物體時間會變慢。飛機上的原子鐘處於「高空高速」,而天文台的原子鐘是在「地面靜止」,所以愛因斯坦兩個相對論的因素都需要考慮進去。

實驗結果怎麼樣呢?往東飛行的飛機上的原子鐘比地面上的慢了59納秒,而往西飛行的飛機上的原子鐘比地面上的快了273納秒。愛因斯坦的廣義相對論和狹義相對論同時得到了驗證。

其實,我們現在使用的GPS定位系統也是每天都需要根據相對論進行時鐘校對。否則,衛星上的原子鐘每天會比地面快38微秒。大家別覺得好像不多嘛,如果我們考慮到GPS系統要求納秒級的時間精度,這個誤差就非常可觀了。38微秒等於38,000納秒,如果不加以校正的話,GPS系統每天將累積大約10公里的定位誤差。

NASA雙胞胎實驗

2015年,美國宇航局做了一項特別的生命探索實驗,找來一對雙胞胎,宇航員斯科特‧凱利(Scott Kelly)和他的哥哥馬克‧凱利(Mark Kelly),他們弟兄倆因為是同卵雙胞胎,所以擁有相同的基因組。

美國宇航局將斯科特送上了太空,在國際空間站待了340天,而哥哥則留在地球上。等斯科特回來之後,對比兩人基因的變化,以研究太空生活對人體的影響。

大家看看美國宇航局公布的照片,是不是覺得上了太空,在高速環繞地球飛行的環境下生活的斯科特,看上去更年輕?不過,因為美國宇航局沒有公布兩人參加實驗前的照片,所以我們也說不準,斯科特是不是原本看上去就更年輕些。但是美國宇航局的研究,卻切切實實地證明,斯科特比馬克衰老的慢了。怎麼回事呢?

原來,美國宇航局在做基因檢測時發現,斯科特上太空期間,身體衰老顯著減慢,因為位於染色體末端的「端粒」(telomere)縮短速度變慢。

這個端粒又是什麼東西?端粒是存在於細胞染色體末端的一小段DNA,它的作用是避免染色體受損,但隨著人的年齡增長,端粒會變短,細胞隨之逐漸老化死亡。而在這次雙胞胎太空實驗中,斯科特的端粒縮短速度變慢了,而馬克的端粒則以正常速度持續衰老。

不過當凱利回到地球後,他的端粒很快便回復至正常的縮短速度。

古人說,天上方一日,地上已千年,看來我們祖先的智慧真是不容小覷呀。

塊宇宙

基於愛因斯坦的相對論,2015年,麻省理工學院哲學教授布拉德福‧史高(Bradford Skow)提出了「塊宇宙」(Block Universe)理論。

這個理論認為,既然按照愛因斯坦的「時空統一」理論,時間和空間不可分割,都是1維時間加3維空間,這樣四維宇宙的一部分,那麼,在這其中所有發生的事情都在時空中有著自己的坐標。

塊宇宙是絕對靜止的,在四維時空中靜止,沒有什麼時間流逝,沒有什麼斗轉星移,世界就是靜止的一塊,時間軸上,每一個時間點對應著一個三維空間在那一瞬間的影像,整個塊宇宙就是由無數個這樣的三維空間影像構成。

如果我們能夠跳出來看塊宇宙,就如同在我們這個世界看電影一樣,你能夠選擇任何一個時間點來觀看當時所發生的事。

既然說到看電影,大家都知道,按下播放鍵之後,電影就會順著時間不斷地播放。那麼放到塊宇宙理論中,應該也有個對應的播放鍵一樣的東西,讓我們人類感受到時間不可逆的流逝。

MIT物理學家和哲學家馬克斯‧泰格馬克(Max Tegmark)和英國物理學家朱利安‧巴伯(Julian Barbour)認為這個開關就是我們的大腦,時間流逝就是我們大腦的錯覺。大腦的神經元結構讓我們對過去擁有記憶,但我們不知道未來會發生什麼,所以記憶才會讓人們產生了時間有在流逝的概念,讓我們以為一切都是從過去到現在,之後再到未來。

如果宇宙真是這樣的,如何才能超脫幻覺,看到過去、現在和未來呢?現在的科學水平還做不到。那麼有誰能做到嗎?

釋迦族的故事

古印度時期,波斯匿王的次子琉璃王篡位後,決定攻打迦毗羅衛國,消滅釋迦佛的親族。

釋迦佛連續三次坐在軍隊的必經之路上,勸阻琉璃王。第三次時還出現了飛龍和金鳳擋住去路。琉璃王在感動、懼怕之下,班師回國。然而,架不住佞臣的慫恿,琉璃王第四次出兵,這一次釋迦佛沒有再阻止。最後釋迦族被滅。

釋迦佛的弟子目犍連就問釋迦佛其中因由。釋迦佛開釋道,很久以前,琉璃王曾經是水裡的魚王,統率著河裡的魚、鱉、蝦、蟹。住在河邊的人都喜歡吃魚,在把所有的魚吃完後,還撈起體型龐大的魚王,當時一共有五百人一起吃了魚王的肉。釋迦佛的種族,就是當時吃魚的這些人。那時,釋迦佛還是一個小孩子,他沒有吃魚,但出於好奇,曾在魚王的腦袋上打了三下,後來釋迦牟尼成佛後,就是為此頭痛了三天。而魚王轉生琉璃王後要滅掉釋迦族也是這個原因。

至於琉璃王的下場,釋迦佛在其屠城後預言,七日後琉璃王和他的軍隊必會被滅。七日後,果然忽然天降暴風雨,水漫都城,琉璃王和他的國家也徹底滅亡了。

佛家認為,修行覺悟的人,能洞悉一切因緣,能觀察到過去、現在和未來。這樣看來,佛陀原來是最偉大的科學家呢。

好了,今天就和大家分享到這裡。未解之謎,我是扶搖,我們下期見。

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未解之謎】節目組製作

(責任編輯:王曉玉)

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