时间遭遇空前危机:在量子世界,时间没有意义?_科学万象_CHN强国网-威尼斯人线上娱乐官网网站 - 威尼斯人线上娱乐官网
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犯我中华者 虽远必诛
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2018-10-11 17:14:07 | 来源:环球科学 | 威尼斯人网上赌场: 0 | 参与: 0

   

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  来源:环球科学ScientificAmerican

  时间这一概念已经印刻在所有人大脑中,似乎就是与生俱来的存在,它记录着世界的一切。但在普朗克尺度上,时间这个概念却遭遇了危机。物理学家希望找到一种适用于量子引力领域的时钟,却始终未能如愿。这是否意味着,在最小尺度上,时间没有意义?

  诗人们常将时间比作河流,一条载着我们由出生至老去的自由流动的小溪。物理学家们则认为时间有着更具体的含义。他们用时间衡量变化,无穷多个瞬间像玻璃珠那样串在一起,未知的将来、现在和已知的过去首尾相接。

  物理学中的时间悖论

  时间是一种工具。目前时间可以被“切”到十万亿分之一秒那样短。但被“切”的究竟是什么呢?不像质量和距离,我们无法具体感知到时间。

  我们看不见,听不到,闻不着,摸不到也尝不出时间;但我们竟能以某种方式测量它。爱因斯坦提出广义相对论后,许多物理学家都尝试不断拓展和精炼该理论。但该过程中遇到的最大挑战,就是时间。

 把时间“切成薄片”:一台利用所谓的超精细跃迁定义时间的氢原子钟。(来源:Wikimedia Commons)

 

  把时间“切成薄片”:一台利用所谓的超精细跃迁定义时间的氢原子钟。(来源:Wikimedia Commons)  

       “危机出现了,”加州大学河滨分校的数学家John Baez说,“一旦危机得以解决,物理学将走向一个新的方向。”

  这里说的不是日常生活中的物理。在我们生活着的低能量地球环境中,秒表、摆钟,还有氢原子钟都将继续精准地记录自然流逝的轨迹。但当物理学家们想要将宏观宇宙和亚原子微观世界合并在一起时,危机出现了。

  在牛顿经典定律里,时间是特殊的。独立于研究对象之外的“宇宙时钟”记录着每一个瞬间。而在广义相对论中,这一假设不再成立。爱因斯坦认为时间并非绝对的——即不存在这样一块“宇宙时钟”,并用他的方程解释了引力在其中所起的作用。他的引力定律指出,无论用何种计时器测量,得到的结果都将一样。

  不过,在物理学的其他领域,尤其是在量子力学中,时钟的选择仍然很关键。在1926年薛定谔提出的波动方程中,它扮演了重要角色。

  该方程展示了如何将亚原子微粒类比为一束波,无论该微粒是独自运动还是绕着原子旋转。一个波簇可以在空间上从一点运动到另一点,同时在时间上从一个瞬间过渡到另一个瞬间。

  从量子力学的角度来看,能量和物质都可以被分割为离散的部分——即量子,它的运动是跳跃而模糊的,处在剧烈的波动中。不像火箭的轨道,这些粒子的行为无法准确计算。

  利用薛定谔波动方程,仅仅能得到某一粒子,或者说某一波簇到达一个确切位置和速度的可能性。这与经典物理学描述的世界截然不同,以至于爱因斯坦都抱怨这种不确定性。他断不能相信上帝会和世界玩骰子。

  你也许会说量子力学为物理学引入了一种混沌:当精确得知某物的位置时,相应地,测得的速度将不准确;反过来,在速度精确可知的情况下位置又是模糊的。

  海森堡很好地总结了这种独特的现象,即著名的“不确定性原理”。但所有的这些不确定行为都发生在一个确定的“舞台”上,即空间和时间均确定。事实上始终需要有一块可靠的时钟,来记录发生的一切以便物理学家们描述系统变化的机制。至少这是目前量子力学方程建立的方式。

  这也是问题的症结所在。物理学家要怎样将引力定律合并起来呢?即如何在量子力学定义的亚原子规则中,无需特定的时钟前提,也能很好地吻合牛顿时间框架?

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