在愛因斯坦的廣義相對論里，時間流逝只是一個幻覺，過去和未來的定義取決于觀測者。這顯然違背直覺，但如何反駁呢？?

喬治·埃利斯（George Ellis）并不害怕對抗權(quán)威。作為開普敦大學(xué)的宇宙學(xué)家，埃利斯把自己的目光放到了更為抽象的事物上：時間本身的流逝。

阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）在20世紀(jì)早期首次提出，傳統(tǒng)理論認(rèn)為的時間流逝只是一種錯覺。過去和未來之間并沒什么不同，都早已成定局。然而對于埃利斯來說，這種主流理論的哲學(xué)含義并不和我們的直覺相違背；他認(rèn)為傳統(tǒng)的想法很危險，因為他們剝奪了我們的自由意志與道德責(zé)任。埃利斯的科學(xué)目標(biāo)是把時間帶回物理學(xué)領(lǐng)域，讓宇宙可以創(chuàng)造自己的未來，并賦予我們改變命運(yùn)的能力。

塊宇宙假說

17世紀(jì)時，在牛頓的《數(shù)學(xué)原理》里，這位英國的物理學(xué)家構(gòu)建了一套符合我們?nèi)粘＝?jīng)驗的時間觀。他描繪了一塊宇宙中通用的秒表，它的滴嗒聲讓整個宇宙的時間在每一秒、每一分鐘、每一小時里均勻地流逝。在牛頓的觀念里，不論你的位置和運(yùn)動狀態(tài)，你都會同意埃利斯在劍橋大學(xué)三一學(xué)院的長凳上花了十分鐘喝完了咖啡。而每隔15分鐘，他都能聽見三一學(xué)院華美鐘塔的鈴聲，這座鐘塔早在年輕的牛頓第一次踏進(jìn)校園的半個世紀(jì)前就矗立在這里，精準(zhǔn)地記錄著時間的流逝。

1905年，愛因斯坦推翻了牛頓的宇宙存在絕對時間的和諧圖景。取而代之的是不協(xié)調(diào)的、相對的時間觀，該觀點(diǎn)認(rèn)為不同的人對同一事件的持續(xù)時間可能有不同的感知，甚至不同事物的發(fā)生順序也不一致。年輕的愛因斯坦意識到，時間事實上是我們所觀察到的三維空間之外的第四維度，也在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造了被稱為“塊宇宙”（block universe）的現(xiàn)實圖景。

埃利斯認(rèn)為，為了解釋塊宇宙是怎么一回事，你可以想象對一個地點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)拍照，比如劍橋的學(xué)生們帶著書本去參加考試，憂心忡忡地走過三一學(xué)院的場景。如果你將拍攝的照片一張接一張地順序播放，你可以將其制成一部電影，時間在其中自然地流逝，這與我們對時間流逝的感知一致。但如果你將照片全部堆疊在一起，學(xué)生們穿過院子的過程將一次性完整地展現(xiàn)在你眼前。第二種情況就與塊宇宙的觀點(diǎn)類似，過去、現(xiàn)在和未來是同時存在的，時間流逝一說并無意義；所有事件都是相互并存的。

當(dāng)然，一組照片只能展示沿著時間拍攝到的空間的兩個維度。將其擴(kuò)展到整個宇宙的三維空間，還要包含宇宙全部的歷史以及未來會發(fā)生的所有事，這樣就能得到愛因斯坦理論下完整的塊宇宙，就像一份靜止的記錄，包含了所有曾經(jīng)發(fā)生和將要發(fā)生的所有事件。

埃利斯強(qiáng)調(diào)，塊宇宙與播放一段連續(xù)時刻的電影不同，塊宇宙因為其中沒有一個明確的時間點(diǎn)可以用來標(biāo)明“現(xiàn)在”，不同的個體對哪個時刻屬于“現(xiàn)在”的認(rèn)知并不一致，不存在一個獨(dú)一無二的標(biāo)記來區(qū)分已經(jīng)固定的過去和開放的未來。就像兩個學(xué)生坐在院子里的不同角落，從他們各自的角度看到的三一學(xué)院的鐘塔的影子長度不相等，對于時間來說也是一樣：愛因斯坦意識到在塊宇宙中時間也只是另一個維度，那在時空中不同位置的觀察者對于同一個事件的持續(xù)時間可能有不同的意見。也許有人會準(zhǔn)確指出埃利斯花在喝咖啡上的時間不只10分鐘。

不僅如此。在愛因斯坦的塊宇宙中，不同的觀察者看到的事件的發(fā)生順序也可能不同，就像院子里不同位置的學(xué)生對于埃利斯是在鐘塔的左側(cè)還是右側(cè)會有不同的看法。一個人覺得埃利斯在鐘塔敲響下午2點(diǎn)的鐘聲之后才喝完咖啡，而另一個人覺得喝完咖啡的時間在2點(diǎn)之前。這些差異完全取決于觀察者在塊宇宙中運(yùn)動的速度和方向，因為這會影響這些事件發(fā)出的光到達(dá)觀察者所需要的時間。以人類所能達(dá)到的速度來說，這種差異小到難以察覺，但已經(jīng)被在國際空間站和高速飛機(jī)上所做的實驗證實。

那么在塊宇宙中，對一些人來說是未來的事在另一些人看來其實是過去，這要取決于觀察者的位置和運(yùn)動狀態(tài)。未發(fā)生的事件對另一些人來說已經(jīng)發(fā)生。未來對于你來說可能是未知數(shù)，但卻早已成定局。愛因斯坦自己是這樣描述的：“對我們這樣相信物理的人來說，過去、現(xiàn)在和未來之間的差別只是一種頑固而持久的錯覺。”

大多數(shù)物理學(xué)家已經(jīng)學(xué)會接受愛因斯坦的宇宙觀點(diǎn)以及宇宙的基本方程，確定所謂時間的“前進(jìn)”方向是任意的，但埃利斯的直覺認(rèn)為還有更深的次層需要研究。他說：“我回到這里嘗試研究對事物真實的感受”。

流失的時間

雖然埃利斯對于塊宇宙里的時間觀保留意見，他依然欽佩愛因斯坦，而且在1960年搬到劍橋攻讀世界著名的宇宙學(xué)家丹尼斯·夏瑪（Dennis Sciama）的博士學(xué)位時，這種敬意更深了。在擔(dān)任研究人員的開始幾年，埃利斯贏得了世界級宇宙學(xué)家的聲譽(yù)，因為他解決了愛因斯坦時空方程中一些棘手的數(shù)學(xué)難題。

埃利斯欽敬愛因斯坦的數(shù)學(xué)獨(dú)創(chuàng)性，但是塊體宇宙理論從哲學(xué)意義來說，認(rèn)為未來和過去都是注定，這一點(diǎn)埃利斯表示懷疑。

在劍橋，埃利斯很快就與年輕的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）一起工作，他們同在夏瑪?shù)拈T下?；艚鹨驗橥渡碛谘芯坑钪嫫鹪匆约昂诙幢举|(zhì)而聲名大噪，但是埃利斯并沒有這般待遇。1973年，33歲的埃利斯離開了劍橋大學(xué)，并結(jié)束了與霍金密切的合作研究，回到南非的開普敦大學(xué)數(shù)學(xué)系建立了自己的團(tuán)隊。

到了他學(xué)術(shù)生涯的晚期，埃利斯在2005年時將他的注意力轉(zhuǎn)移到了困擾他學(xué)生時代的基礎(chǔ)物理學(xué)難題：在沒有時間的現(xiàn)實觀念中，要如何解決其中個人主體缺失的問題。為此，他重新審視了愛因斯坦的塊宇宙觀，著眼于開發(fā)一種保持最佳特性的新模型，這個模型既包含了實驗已經(jīng)驗證的時間相對性，也同時也恢復(fù)了另一個觀點(diǎn)：本質(zhì)上現(xiàn)在與過去和未來是區(qū)分開來的。

埃利斯的新模型并不是要顛覆塊宇宙理論，而更像是對其的改進(jìn)。他從2006年起發(fā)表了一系列備受關(guān)注的論文，在其理論框架中，埃利斯保留了四維時空，而且符合相對論的預(yù)測。然而，他認(rèn)為愛因斯坦把這個觀點(diǎn)推的太遠(yuǎn)，沒有必要假設(shè)第四個維度已經(jīng)延伸至無窮遠(yuǎn)處。因此埃利斯的模型與愛因斯坦的關(guān)鍵區(qū)別在于：未來的邊界并不包含所有將要發(fā)生的事。

相反，時空的前沿標(biāo)志著“現(xiàn)在”向外逐漸延伸，一刻接著一刻，將明天的可能性在昨天就確定下來?！懊魈斓挠钪鎸冉裉於嘁惶臁?，埃利斯說：“過去是真實的，并且能夠?qū)ΜF(xiàn)在的我們施加影響，但未來還不存在，也無法影響我們?！?/p>

切碎塊體宇宙

埃利斯的計算表明，雖然相對論預(yù)言不同觀察者見到的不同事件發(fā)生的順序不同，但與他的塊宇宙延伸理論并不矛盾。在埃利斯和愛因斯坦的圖景中，不同觀察者所看到事件發(fā)生的時間差異與光從事件抵達(dá)觀察者的時間有關(guān)。在愛因斯坦看來，這些事件和未來的所有事件可以共同存在。但埃利斯認(rèn)為，這些事件必須存在于過去已形成的塊宇宙中，這樣這些事件才能被定下來并且傳輸?shù)狡渌?。同樣，埃利斯也認(rèn)為，兩個觀察者無法對同一事件的持續(xù)時間達(dá)成一致，只會在事件已經(jīng)發(fā)生之后。因此，埃利斯的時間模型保留了足夠的塊宇宙來符合相對論的預(yù)言，但不包含愛因斯坦激進(jìn)地將第四維度延展至無窮未來的假設(shè)。

如果埃利斯是對的，他要如何解釋宇宙的前沿不斷向前推進(jìn)的機(jī)制？他說“界面就是不確定的未來不斷轉(zhuǎn)化為確定的過去的地方”。他從物理家們所熟知的另一個物理學(xué)分支上看到了希望，這個分支認(rèn)為能夠?qū)@而易見的不確定性轉(zhuǎn)化為確定的現(xiàn)實。它屬于量子力學(xué)的領(lǐng)域，這是一種能夠控制亞原子粒子行為的奇特理論。

量子水平上都是由機(jī)會和概率決定。例如，我們無法預(yù)測粒子確切的運(yùn)動狀態(tài)，包括粒子的位置和能量，直到你去測量它。而在此之前，這個粒子由無數(shù)的可能性構(gòu)成，處在由無數(shù)可能的位置、速度、能量所組成的“疊加態(tài)”。然而，一旦粒子被觀察，這個含有各種可能性的泡沫將破裂，坍縮為一個單一、隨機(jī)但確定的狀態(tài)。這是一個嚴(yán)格的單向過程，一旦狀態(tài)坍縮，粒子將無法自然地回到之前的多重態(tài)。而被觀測之前我們也無法預(yù)知粒子坍縮后的狀態(tài)，最終結(jié)果無法預(yù)先設(shè)定。

這種看起來與愛因斯坦的塊宇宙相矛盾的理論已被實驗多次證明。幾十年來物理學(xué)家深知量子力學(xué)與廣義相對論無法相容。兩者對時間的自然狀態(tài)有不同的觀點(diǎn)，前者認(rèn)為時間是自然流逝的實體，而后者卻認(rèn)為時間只是我們主觀感受產(chǎn)生的錯覺。這種分歧成為了統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對論的主要障礙，而統(tǒng)一的量力引力理論將能解釋從原子到行星的宇宙萬物。

量子力學(xué)的實驗給了埃利斯信心，他堅信時間是真實存在的，而愛因斯坦的單一塊宇宙理論存在錯誤。“一些物理學(xué)家認(rèn)為未來已經(jīng)在今天已經(jīng)確定，但我認(rèn)為他們還沒有認(rèn)真地考慮量子不確定性，”埃利斯說，“對我來說，量子不確定性意味著未來的事在它真的發(fā)生以前都還是未知數(shù)?！?/p>

他認(rèn)為在他的塊宇宙延伸理論中，不確定的未來通過一系列微小的量子事件逐漸凝結(jié)為確定的過去。在每個事件中，粒子經(jīng)過自身內(nèi)部矛盾力量的斗爭，從開始的不確定量子狀態(tài)轉(zhuǎn)化為一個明確的狀態(tài)。隨著鄰近的粒子都經(jīng)歷了這一過程，確定性的波浪將開放的未來變?yōu)橐讯ǖ倪^去。

未來之路

埃利斯也許已經(jīng)構(gòu)建了一個將時間重新放回物理學(xué)的框架理論，但要說服他的同行們還很困難。牛津大學(xué)客座教授朱利安·巴伯很欽佩埃利斯，但他始終認(rèn)為“時間”應(yīng)該徹底從物理學(xué)的領(lǐng)域中剔除出去。他認(rèn)為，有些東西感覺起來很自然，但并不意味著它就是對真實世界的準(zhǔn)確描述。

巴伯說：“這讓我想到當(dāng)年伽利略試著說服亞里士多德主義者地球是繞著太陽轉(zhuǎn)的?！敝庇X告訴我們腳下的這個星球堅實又平靜，雖然伽利略的想法與直覺相悖，但他終究是對的。巴伯相信，我們在時間的流逝中運(yùn)動的想法，有一天也會像地心說那樣成為一種古老的觀念。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)博士克雷格·卡倫德（Craig Callender）也能感受到埃利斯的沮喪：“物理學(xué)家們一直在嘲笑我們的時間體驗，認(rèn)為那只是幻覺，是一種過時的想法。但即使這是幻覺，那也是最令人信服的一種”。塊宇宙延伸理論可能是對的，卡倫德說，但在埃利斯能夠說服大部分同行之前，他還需要對量子過程有更嚴(yán)格的解釋，在實驗中這一過程通常只影響亞原子物體，它如何層疊推進(jìn)以致對整個宇宙產(chǎn)生影響。

另一種反對意見認(rèn)為人的觀測能夠讓粒子的疊加態(tài)收縮為確定狀態(tài)，但宇宙中存在大片人類無法觀測到的區(qū)域，又由誰來提供這種觀測過程？埃利斯則反駁道，量子坍縮并不一定需要一個有意識的觀測者，粒子每次發(fā)生碰撞，也能撞破它們的不確定狀態(tài)。這種觀點(diǎn)被稱為退相干（decoherence），已被物理學(xué)家普遍接受。

埃利斯說：“在我看來，量子坍縮無時無刻、無處不在地發(fā)生”。他指向一顆灑滿陽光的樹，補(bǔ)充道：“每當(dāng)一粒光子照射到一片樹葉，這顆粒子的量子不確定性就會坍縮?！?/p>

埃利斯承認(rèn)他的想法還只是推測?！拔也粫f我的想法牢不可破，”他承認(rèn)道，“但我認(rèn)為在我的理論框架中，每件事都能講得通?！?/p>

并且他還認(rèn)為證明的責(zé)任不在他，而在于那些宣稱時間只是幻覺的人們。埃利斯說，畢竟，他的模型不僅僅通過量子實驗讓時間看起來真實，而且也符合我們的一般感覺，“這個實驗我們每個人，每時每刻都在進(jìn)行?！鄙畋旧砭褪且粋€得以支持他的理論的實驗。

來源：Scientific American

作者：澤亞·梅拉利（Zeeya Merali）

翻譯：林志鵬

審校：吳非 ?楊心舟