時間箭頭存在嗎?量子漲落模型細談

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時間箭頭存在嗎?量子漲落模型細談


最近小編讀了由英國科普作家約翰·格里賓所著的《尋找多重宇宙:平行宇宙的瘋狂世界》,對宇宙學和量子力學中的一些觀點也頗有感觸。而小編今天想向大家介紹最讓人覺得不可思議的量子漲落。

時間箭頭存在嗎?量子漲落模型細談

量子漲落

首先我們要接受量子漲落這一符合相對論的模型,我們要拋棄一些舊觀念——“時間之箭”。霍金將時間比作有方向的箭頭,而他將時間箭頭分為熱力學時間箭頭,宇宙學時間箭頭以及心理學時間箭頭。這三個時間箭頭分別對應:熵增原理(又稱熱力學第二定律,大概指整個宇宙趨於無序狀態),大爆炸模型

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宇宙大爆炸

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宇宙大爆炸

時間箭頭存在嗎?量子漲落模型細談

(我們的宇宙以大爆炸為開端),人體對時間的感覺。

時間箭頭存在嗎?量子漲落模型細談


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熵增原理

可時間箭頭真的存在嗎?甚至時間存在嗎?

這也是熱力學之父玻爾茲曼所想的問題。他之所以會思考這個問題,是因為微觀世界不存在我們在宏觀世界所觀察和體會到的時間箭頭。試想我們在一個密閉盒子中均勻的充入某種氣體粒子,我們對粒子的活動進行觀察並用微觀攝像機進行記錄。我們將錄像前進和後退相同時間,會發現後退和前進時粒子活動狀態會幾乎相似!這就粗略地說明在微觀世界不存在時間箭頭。如果我們用攝像機錄下爆破一座大廈的過程,後退時的畫面就好似時間倒流了一樣。這樣對比看好似微觀世界並不存在時間箭頭。讓我們再試想一下,我們在密閉盒子中加入隔板,一邊充入氣體粒子,一邊抽真空,全程用微觀攝像機記錄。當我們把隔板抽開時,氣體粒子會向真空移動直至均勻分佈。我們此時將畫面倒放,我們會看見違背時間箭頭的畫面——氣體由均勻到集中於於一半的盒子。這好像違背了熵增原理。微觀世界好像確實存在時間之箭。我們再擴大至我們的宇宙,讓我們試想宇宙中的熵一直增加,熵增伴隨著能量的流動從高能到低能,最終一定會有個時候宇宙中的熱量會處於一個均值,這時我們稱之為熱寂。這時不會有能量流動,就不存在熵增原理即違反了熱力學第二定律。這樣一個假設就否定了時間之箭的存在,因為有時間之箭,宇宙就會趨於熱寂,而熱寂不符合我們一切假設的基石——熵增原理。

這時科學家們找到了一種解釋,這就是量子漲落。

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量子漲落

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量子漲落

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量子漲落

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回到盒子的那個模型,我們可以換一個角度進行思考,在密閉盒子中均勻分佈了氣體粒子,總會有一個概率使得所有粒子集中與盒子一半的區域,而科學家粗略計算只有十的五百次方分之一的概率會觀察到這一現象。而此時科學家建立了量子漲落的模型。他們大膽推測宇宙就在這個漲落中。首先我們來理解漲落。我們計算1,0,-1三個數字的平均為零,我們將1看做正能量,將-1看做相等的負能量,那麼這個系統總的平均能量為零,這個現象就為漲落。有人會問:有負的能量嗎?還真有。引力就是個例子。上世紀60年代末,有人想到一種可能性:物質或能量的萬有引力本身具有負的能量(因為引力是吸力,假設無限遠的勢能是0,那麼當物體靠近後因為引力做功使得其勢能為負值)。當漲落產生的能量產生的瞬間,它又產生了一個引力場,引力的負能量與物質(或能量本身)對應的正能量互相抵消,使整個系統看起來並沒有多出能量,所以沒有違反能量守恆定律。我們可以想象置身於一個大尺度的宇宙中,總體的能量均勻分佈,而存在兩個甚至多個每時每刻具有等量相反能量一一對應的宇宙。我們人類就置身於正能量的宇宙,並且在距我們永遠無法抵達的距離之外(目前我們可最遠觀測的事物是距我們137億光年外的天體,這些天體發出的光以光速走了137億年來到地球)有一個和我們向對的宇宙,這個宇宙中的一切和我們宇宙中的一切一致,只是我們看這個宇宙在時間倒流,

它的“時間箭頭”和我們相反!這是一個動態平衡。我們甚至可以給時間一個新的定義——在一個大尺度宇宙下短暫的量子波動狀態(熵增狀態)所給予我們的感受,而時間之箭只是量子漲落所呈現的結果罷了。而這一理論為時間旅行,甚至多元宇宙帶來了希望。

小結:宇宙帶給我們無限的想象,而我們人類也即將逼近物理學帶來的萬物之理——大統一理論。我相信我們人類終會破解宇宙的密碼!


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