深度书评 | 想在当下——读穆勒的时间物理学
撰文 | 李泳
时间是什么？你若不问，我倒是知道；若要我解释，我什么都不知道。这是1700年前的奥古斯丁在《忏悔录》说的，今天也可以说。时间一直是人们发呆的最佳借口，是哲学家无聊时最喜欢的沉思，如今也是物理学家思维漫游的课题。
哲学家（如海德格尔）惯用新名词来模糊时间，让它变得深沉而玄妙；物理学家更乐意从理论幻化出五花八门的时间图景，远远超出艺术家的想象（如达利的“永恒的记忆”）。自相对论以来，物理学的时间不再是平直的流线（“逝者如斯”），而是与空间构成可形变的“流体”，不再有独立的意义。但我们有限的想象力无法真正将时间维度与空间维度融在一起，总是感觉它与空间不同，依然为它生出各种“幻觉”。正如“抱有信念的”爱因斯坦说的，“过去、现在和未来之差别的唯一意义，只不过是一种顽固的幻觉而已”。
近些年来，物理学家在更加顽固地寻求时间的“意义”，从量子走向生命、意识乃至自由意志。穆勒的书漫谈了物理图景下的时间，囊括了相关的概念、理论、实验、发现和问题。读完全书，我们或许不会知道时间的物理学究竟是什么，但肯定可以知道今天的物理学漫画了什么样的时间。
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时间的理论就是相对论和量子论框架下的时间过程。在狭义相对论中，运动令时间节奏变缓；在广义相对论里，引力起着运动（加速度）的作用，“楼上的时间跑得更快”（地球的引力场强度是高度的平方反比）；在黑洞旅行中，远处的观测者会发现探险者无限缓慢地趋近视界（因为这一点，穆勒认为根本没有黑洞，它们要无限长时间才会形成），而探险者本人与寻常一样几分钟就穿过了（这是所谓“宇宙监督”假设下的图景）；宇宙加速膨胀（因为暗能量）则意味着现代的时间流在加速——这个效应伴随着宇宙暴胀，也许可以直接从引力波信号或间接从微波辐射的极化中找到证据。
在经典电磁学里，电磁波的数学解存在推迟势和超前势，爱因斯坦与walter ritz还有过两种“势”的争论。一般教科书都说超前势违背因果律，没有物理意义；ritz也那么想。但爱因斯坦认为它既然是理论的一部分，就应该留下来。后来，费曼证明爱因斯坦是对的，电磁行为是时间对称的，辐射没有时间箭头。虽然麦克斯韦方程是时间对称的，边界条件也能定义一种辐射的时间箭头。在热力学中，不可逆过程直观表现了时间的单向性，于是普遍认为时间箭头就是熵增的方向。
彭罗斯在这方面挖掘得很深远。他的ccc（共形循环宇宙）理论就是为熵赋予一个数学形式（外尔张量），然后通过其共形变换构想一个多世代的宇宙演化模式，形成一种新的宇宙时间图景（因此书以时间为题：时间的循环）。霍金等为黑洞构建了几个平行于热力学定律的法则，于是黑洞的演化（视界面积总是增加）也代表一种时间箭头。
穆勒的态度是，时间箭头的熵增解释“漏洞百出”“几乎肯定是错的”。它没预言任何物理现象，也没得到什么实验的检验。穆勒称它“伪理论”（pseudotheory）。穆勒更看重量子的作用。由于量子的三个基本特征——态的线性叠加、波函数的坍缩（态的测量）和非定域性（量子纠缠）——量子的时间与相对论时间是完全不同的。由于量子力学是时间对称的，并没有内禀的时间箭头；甚至可以想象逆时间的粒子活动。
在费曼图中，正电子就等于逆着时间运动的电子。这大概只能是一种数学形式，若要推及实在，倒能想象一个有趣的图景：人死后灵魂“将”逆着时间回去，散射，然后顺着时间运动，变成另一个人。人们肯定接受不了对物理学的数学进行如此的解读。量子力学的困惑还在于“测量”，薛定谔猫的生死依赖于测量；也许一个完备的测量理论能告诉我们时间的起源和方向。
现在我们只有“记忆的”箭头，即测量只影响未来而不能影响过去——这个意义的非对称也是时间箭头。在量子场论中，总是需要将场分解为正负频率，正频率波沿时间传播，而负频率波逆时间传播。彭罗斯将这种频率分解方法整体性地用于时空，创建了扭量——时空中的光线对应扭量空间的一个点，而时空的点对应为黎曼球。这样，时空不再是物理学的最基本元素了。
本书的趣味，不在穆勒的时间理论，而在他的物理故事，几个与时间有关的实验发现。第一个故事关乎宇宙微波背景。1967年，还在哈佛读博士的joseph silk给自然杂志写了一封信，针对新发现的微波背景辐射提出一个问题：原初火球的涨落是否残留到星系可能形成的时期？这是当年微波背景辐射激发的宇宙学兴趣。
几年后，穆勒请george f. smoot一起做peebles在新书《物理宇宙学》中建议的“新以太漂移实验”，通过观测星系在自然宇宙坐标系（即微波背景）的运动来描述大爆炸宇宙的膨胀。这个实验名字令人想起相对论之前的为观测地球在“绝对空间（以太）”运动的老迈克尔逊-莫雷实验（本为检验以太，却否定了以太），所以很多物理学家对实验抱有强烈偏见。穆勒说动了很多同行来支持，但后来因不满nasa的官僚作风而退出了，smoot接手坚持下来，然后因发现cmb的各向异性获2006年诺贝尔物理学奖（老师辈的peebles到2019年才因cbm的理论获奖）。
退出追溯时间起点的cmb实验后，穆勒转向去追寻宇宙的终点（叫ω计划）（通过寻找超新星）。他宁愿拿15万美元的waterman奖金来启动实验，而不愿看官僚的脸色。“幸好我有终身职位，有薪水，不需要听任何老板的话。”实验很冒险，那会儿他根本不知道接下来怎么办——这份胆略是他从导师luis alvarez（因发现大量共振态获1968年诺奖）那儿培养起来的（甚或青出于蓝），跟他的也只有“二三子”。他为实验奠定了理论基础，而实验由他学生领导。理论预言，星系间的引力将减缓哈勃膨胀的速率。1992年，他让他的第四个学生saul perlmutter主持实验，自己又跑去开拓新计划。1999年，saul带着他的团队发现宇宙膨胀在加速（可能关乎暗物质），并因此发现获得2011年诺奖。
时间箭头意味着时间对称的丧失。关于这一点，穆勒是有一点“遗恨”的。早在1960年代，他和老师phil dauber就发现时间对称被打破了，实验结果在统计意义上有95%的可信度，穆勒很得意。但dauber认为这对确认一个大发现是远远不够的，成功几率几乎等于零。结果没能发表，穆勒失去了一次光宗耀祖的机会，一直耿耿于怀。多年以后，新的实验证明他们的结果确实错了。穆勒得到一个很好的教训。
还有一个实验是穆勒在劳伦斯伯克利实验室做的p子实验，他发现两个完全相同（在量子力学意义上）的p子在不同时间衰变，犹如两捆相同炸药被同时点燃却不同时爆炸。这等于说未来并不取决于当下。那么，当下能在多大程度上决定未来呢？这就牵出所谓自由意志的问题。p子似乎有自由意志。去年因新冠去世的数学大玩家john conway在十几年前提出“自由意志定理”，大概意思是实验者能自由选择实验结果。
这个问题归根结蒂是量子的纠缠特征和测量问题，源自爱因斯坦等人提出的那个著名epr悖论。自由意志定理以严格的形式证明了不可能存在决定量子态的 “隐变量”。关于这一点，穆勒在书中讲了freedman 和clauser的实验——他们在1960年代就开始做实验证明隐变量，结果却发现“正统的”量子力学是对的，不存在隐变量。“颠覆量子力学的妄想被实验数据打得粉碎。”
粒子行为与人的自由意志（如叔本华和尼采）有什么关系呢？穆老的说法是，如果人类总是遵从概率法则，就不存在自由意志；如果人类老做不能基于外在影响预言的不太可能的事情，那就有自由意志了……
从物理学漫游到自由意志，恰好是因为我们对时间有特别的感觉，但物理学不管感觉。穆勒费了很多篇幅来谈物理学以外的事情。他认为假如人就是机器，“当下”（时间）也就没有意义了。因此我们需要知道怎么看，怎么听，知道心（soul）和脑（brain）的感知（人体如何处理信号）。但是，在穆勒看来，所有与人有关的（anthro-）时间的解释，与熵一样，都是泡利所说的“连错都算不上”（not even wrong）。
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