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2017-07-03

時間有盡頭嗎? 科學人2016

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佛教經典常說「無始以來」(非相對於「有史以來」),其推論模式與文章中的亞里斯多德類似。主要是從「前一秒、這一秒、下一秒」(秒可以置換為分日、年,甚至世)以及因果擴充與推論而來。
這當然是唯心的。

科學遇到時間起點與終點,還有數學遇到0與∞,就是人的邊界。
但,人的邊界就是神或涅槃的領域?


時間有盡頭嗎?    科學人2016
答案既「是」又「否」,因為時間的終結似乎是件 不可能卻又避免不了的事情。 不過最近的物理研究,提供了一個解決此矛盾的方法。
在我們的經驗裡,沒有事物會真正結束。在我們死後,身體會腐朽,而其組成物質將還諸天地,成為另一個新生命的成份。因此,我們仍繼續存在於後世之中。但這情形會永遠持續下去嗎?有朝一日,是否可能不再有「下一刻」?令人鬱悶的是,現代物理學竟然認為答案是肯定的,時間本身會有結束的一刻,一切活動終將停止,不再有新生與復甦。時間的結束將是一切最終的結局。

這恐怖的景象來自廣義相對論的預測,該理論提供現代科學家對重力的理解,在此之前,多數物理學家與哲學家認為時間是一種永恆的鼓聲,是宇宙向前邁進的穩定節奏,永不改變、搖擺或停止。愛因斯坦則認為宇宙是一場彈著複節奏的大型爵士樂即興演奏會,時間可以變慢、拉長,甚至撕裂。當我們感覺重力作用時,我們正感受著時間節奏的即興表演,自由落體其實是墜入了時間流動比較緩慢的地方。時間不僅影響物質的運動,也回應物質的運動,正如鼓手與舞者相互刺激而陷入瘋狂的節奏一樣。但當事情失去控制,時間會像過度興奮的鼓手,最後耗盡體力而化為烏有。

這種現象發生的時刻稱為奇異點。事實上,這個名詞專門用來表示時間的邊界,不論是起始或結束。最為人所知的是大霹靂,也就是宇宙在138億年前誕生並開始膨脹的時刻,而時間也隨之開始。如果有一天宇宙停止膨脹並開始塌縮,宇宙的演化結果會像是反向的大霹靂——大崩墜,並把時間壓縮到零。

時間之死並非隨處可見。廣義相對論說時間會在黑洞內失效,但在宇宙中仍持續存在。黑洞的毀滅性素負盛名,但它們其實遠比你所能想像的更殘暴。如果你掉入黑洞,不僅會被扯碎,你的殘骸也必定撞上黑洞中心的奇異點,你的時間就此結束。你身體裡的分子不會再被利用,也不會有新的生命從你的灰燼中興起。就像小說中的人物走到書本的最後一頁,不僅遭受死亡的磨難,簡直就是天崩地裂。

物理學家花了好幾十年,才接受了相對論指出某些事物死而不能復生這種令人不安的預言。直到今日,他們仍無法解釋這件事。奇異點可說是物理學家嘗試把愛因斯坦的想法與量子力學合併,開創出量子重力論這項統一理論的首要原因,他們希望能夠澈底解釋奇異點。但你得小心面對這項希望,因為時間的終結固然很難想像,但若時間沒有盡頭,也是很矛盾的。

時間的邊界在哪裡?
遠在愛因斯坦之前,各個時代的哲學家都曾爭論時間是否永無止盡。18世紀的德國科學家康德(Immanuel Kant)認為這項議題是個「二律悖反——我們能夠證明正反雙方都是真理,使你無所適從

我岳父有一次在傍晚抵達機場,卻發現搭乘的飛機早已飛走,當時他就陷入了這種兩難的窘境。登機櫃台的人員指責他,應該知道起飛時刻12A.M.指的是當天凌晨的最早時間。但我岳父的困惑是可理解的,嚴格說來,應該沒有12A.M.這樣的時刻,午夜時分既非午前,亦非午後,它同時是一天的結束與下一天的開始,以24小時的計時方式來表達,它既是2400也是0000

亞里斯多德曾提出時間不可能有起點與終點,就是訴諸類似的原則每個時刻既是一個時代的結束,也是某個新時代的發端;每個事件都是某個事件的結果與另一事件的起因。因此時間怎麼可能結束?有什麼可以阻止歷史事件引發後續事件?的確,「結束」這個概念就是以時間本身為前提,所以怎麼可能定義時間的結束?英國牛津大學的哲學家史溫伯恩(Richard Swinburne)就斷言:「從邏輯上來說,時間根本不可能有盡頭。」但若時間不會結束,那麼宇宙必然已存在了無限久,而所有關於「無限」的謎團就會不斷浮現。哲學家因此認為無限這種荒謬的東西,只能是數學上的理想概念。

大霹靂的勝利與黑洞的發現似乎已經解決了這個問題。宇宙中充滿了奇異點,時間可能多次遭逢劇變;即使宇宙避免了大崩墜的命運,它也可能結束於大解體、大凍結或大煞車(參見左頁〈終極末日〉)。但若問奇異點(不論大小)究竟是什麼,答案就不那麼清楚了。美國密西根大學的頂尖物理哲學家史凱勒(Lawrence Sklar)說:「關於奇異點的物理學,可說是見仁見智。」

產生這種怪物的理論本身則認為它們事實上並不存在。例如,相對論說每一個星系的前身,在大霹靂奇異點時都被塞進數學上的一個點——那不是尋常的微小針孔,而是真正不具有體積的點。同樣地,進入黑洞裡的倒楣太空人身上的每個粒子,也都會被擠壓成一個無限小的點,在這些狀況下,計算密度時必須把質量除以體積「零」,得出的結果是無限大。也有一些其他型態的奇異點密度並非無限大,但它一定有其他無限大的物理量。

現代的物理學家雖然不像亞里斯多德與康德那般厭惡奇異點,但他們仍把其視為理論已經推論過頭的跡象。就像中學教過的幾何光學標準理論,它完美解釋了眼鏡和遊樂場裡哈哈鏡的原理,但它也說透鏡把來自遙遠光源的光線匯聚到一個數學上的點,因而產生了無限大的強度。事實上,光線不會聚焦到一個點上,而是匯聚成一個靶心的圖案。該處的光強度或許很大,但仍是有限的。這個幾何光學的謬誤是因為光並非真是一條線,而是一道波。

同樣的道理,幾乎所有的物理學家都假定宇宙的奇異點即使有很高的密度,但仍是有限的。相對論的謬誤在於它遺漏了奇異點附近關於重力或物質的某些重要特性,密度會因此受控制。美國加州大學聖巴巴拉分校的物理學家哈特爾(James B. Hartle)說:「大部份的人會說,那代表這理論在此失效。」

要釐清事情的真相需要有更完備的理論,也就是量子重力論。物理學家仍在建構這個理論,但他們認為這理論必定包含量子力學的中心思想:物質像光一樣具有波的特性。這些性質應能擊垮眾所認定的奇異點,使之變成一個小團,而不是一個點。果真如此,時間或許不會結束。

物理學家從正反兩面討論這個議題。有些人認為時間確實會結束,但麻煩的是,目前已知的物理定律都是在時間的框架下描述物體的運動及演化,時間的終點並不在預期範圍內;它需要的不只是新的物理定律,更需要新的型態來描述,要能避開像運動或變化這類與時間相關的概念,而偏向諸如幾何這種與時間無關的優雅概念。2007年,新加坡國立大學的麥克因訥思(Brett McInnes)從現今量子重力論的首選——弦論裡汲取概念,他認為太初宇宙小團應該有環面的形狀,而依據環面的數學定理,它應該是完全平滑均勻的。但是在大崩墜或黑洞的奇異點上,宇宙可以是任何極度粗糙的形狀,同樣的數學推論不必然成立。這種物理的幾何定律與普通的動力學定律截然不同:它缺乏時間的對稱性。因此,終點不會是反轉的起始點。

其他的量子重力研究者認為時間會永遠延續下去,無始也無終,大霹靂只不過是宇宙永恆生命的一個戲劇性轉折而已。或許大霹靂前的宇宙一開始經歷了大崩墜,直到密度過高後就轉向形成大反彈,這段史前宇宙的產物甚至可能倖存而遺留至今。透過相似的推論,黑洞中心的奇異團(singular wad)將會沸騰,並如小型恆星般發光。若你墜入黑洞中,你將痛苦死去,但至少你的時間不會停止。你身上的粒子將會噗通掉進小團裡而留下特殊印記,未來的人們或許可從黑洞發出的微弱光輝中瞧見它們。

永續時間的擁護者不必煩惱什麼新型態的物理定律,但他們一樣會遭遇麻煩。例如,隨著時間,宇宙會越來越混亂,假如它真的已存在了無限久,為何至今還未變成全然無序的狀態?而黑洞裡那些承載你印記的光,又如何能夠掙脫黑洞重力的掌控呢?

結果,物理學家的自相矛盾並不亞於哲學家。已過世的量子重力先驅惠勒(John Archibald Wheeler)曾寫道:「愛因斯坦方程式說『這就是終點了』,而物理學卻說『事情還沒結束』。」面對這項兩難,有些人絕望地認為科學永遠無法解答時間是否會結束的問題,時間的邊界同時也是推理與經驗觀察的界限,但有些人則認為需要的是一些新奇的想法,例如美國加州大學聖巴巴拉分校的物理學家霍洛維茲(Gary Horowitz)曾說:「那並未超出物理學的範疇,量子重力論應該能提供確切的答案。」


3 則留言:

  1. 別的不說,光要知道啥是「第一因」?俺瘋了!

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  2. 不用想太多,除非你能理解理論物理背後的數學,否則這些理論的文字描敍對你一點意義也沒有,尤其是記者自己也不懂的狀泥;理論物理學家通常10個人就會有超過11個看法,但只有1種數學,不必太介意。

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  3. By SuSan
    確實如此. 我們通常只能在無限的"境"裡處理有限的事. 寫小說,創作音樂,色,香,味,受想行識亦復如是.
    也就是如何在"無限"的環境裡應用有限的概念或方法嘗試解決"無限"或是"類無限"的問題,
    例如Alphago的設計,其實不曾考慮對手的存在.這也回應佛家所謂"空即是色","一沙一世界"的說法.
    所以讓時間,黑洞,萬物各行其是.才是"道"

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