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揭開時間之謎——與布萊恩·考克斯對話

揭開時間之謎——與布萊恩·考克斯對話
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著名物理學家和電視節目主持人布萊恩·考克斯, 帶我們歷經探索時間和空間本質的精彩旅程。深入了解。

Particle physicist Brian Cox

粒子物理學家暨曼徹斯特大學教授布萊恩·考克斯(Brian Cox)思考時間、時間的起源,以及與永恆宇宙相關的哲學挑戰。他亦解釋稱,從根本上說,我們不知道腕錶測量的是甚麼——以及觀察錶盤上的秒針為何能夠揭開時間和空間最深奧的謎團。

 

收聽新一集podcast,與布萊恩·考克斯一同探索時間和永恆。

宇宙之美

是甚麼令您對機械腕錶情有獨鍾?

使用機械裝置與使用手機來測量時間的流逝,有很大的不同。你可以看到腕錶的秒針,但秒針代表甚麼?如果你去問愛因斯坦,他會說它測量你在時空中走過的距離。如果你去問熱力學專家,他們會說這與熵有關,說到底,腕錶測量的是宇宙的解體。

 

它就像一扇通往深奧問題和深層奧秘的大門。在我看來,這令鐘錶成為奇妙的東西。因為,在最根本的層面上,我們並不知道鐘錶在做甚麼。當你看著腕錶,總感到一種深深的神秘感——這種神秘感與空間、時間,乃至宇宙本身的結構交織在一起。

您希望沙夫豪森IWC萬國錶推出的下一項複雜功能是甚麼?

如果我們假設腕錶是一種測量裝置,那麼要是它能夠測量自己的年歲,將會如何?想像一枚計時腕錶,啟動一次之後,再也不會停止。即使它的運行完全精確,這些腕錶都會測量出一個獨一無二的年歲。然而,在某個微小層面上,每枚腕錶理所當然都會紀錄到不同的東西。它們出廠時完全同步,回來的時候卻有不同的年歲,因為它們在主人的手腕上走過不同的時空軌跡,在事件之間走過不同的路線。因為我們的宇宙就是如此美麗。

佩戴具有Horizon藍色錶盤的IWC葡萄牙系列萬年曆腕錶(型號:IW503703)的布萊恩·考克斯

— 佩戴具有Horizon藍色錶盤的IWC葡萄牙系列萬年曆腕錶(型號:IW503703)的布萊恩·考克斯

如果你將一枚腕錶扔進黑洞,它就會停止活動,永遠定格。在黑洞所謂的『事件視界』上,時間會停止,但只有從外面觀看時會如此。如果你和腕錶一同掉進黑洞,它會繼續以每秒一秒的速度滴答作響。
接受沙夫豪森IWC萬國錶訪問的布萊恩·考克斯

— 接受沙夫豪森IWC萬國錶訪問的布萊恩·考克斯

「沒有昨天的一天」

何謂時間?

和許多簡單的問題一樣,答案並不簡單。簡而言之,我們不知道。17世紀,艾薩克·牛頓爵士假設天上有一個大鐘一樣的東西,每個人的時間都以相同的速度流逝。1905年,愛因斯坦運用他的相對論告訴我們,事實並非如此。對於不同地方的不同的人,時間以不同的速度流逝——無論你是相對於別人加速,還是你在發生的事件之間選擇了不同的路線。

時間會停止嗎?

如果你將一枚腕錶扔進黑洞,它就會停止活動,永遠定格。在黑洞所謂的『事件視界』上,時間會停止,但只有從外面觀看時會如此。如果你和腕錶一同掉進黑洞,它會繼續以每秒一秒的速度滴答作響。你立刻就會發現時間是更為複雜的事。它是現代物理學研究領域。愛因斯坦說過一句名言:時間是腕錶測量的東西。

時間從何時開始?

物理學中,有一種觀念稱為熱力學時間箭頭。它指出,過去與未來之所以有分別,是因為過去發生了一件奇怪的事——宇宙大爆炸,也就是我們的宇宙的起源。根據這個說法,138億年前的大爆炸標誌著時間的開始。但我們不確定那就是時間開始的一刻。我們不知道宇宙是否有開端。正如著名天體物理學家和牧師喬治·勒梅特(Georges Lemaître)所言,這意味著曾經有「沒有昨天的一天」。

讓我們著眼於大處:何謂永恆?

在我們目前的宇宙基礎模型中,我們知道宇宙不僅在膨脹,更是在加速膨脹。如果宇宙繼續這樣下去,我們會達到一個點——萬物之間的距離非常遙遠,而萬物的溫度相同。技術上,我們可以說,當宇宙從高度有序的狀態變為較為混亂的狀態時,熵總是在增加。然而,我們對時鐘的一項了解是,它是一種熱力學裝置。製作時鐘需要溫差。在遙遠的未來,我們的宇宙將不再有溫差的存在。我想,那時候,時間也就不復存在了。

如果你戴著腕錶,你會看到它總以每秒一秒的速度滴答作響。那就是你的參照框架中的時間。別人可能會去不同的地方,做不同的事。當你再次遇見他,比較腕錶時,會發現你們以不同的速度變老。

交響樂的時間

一分鐘是否總是一分鐘,一秒鐘是否總是一秒鐘?

舉例來說,演奏馬勒第9號交響曲,需要一定的時間。這是使用相對於管弦樂團靜止不動的腕錶所測量的時間。如果你帶著這枚腕錶走出演奏廳,四處走走再回來,那麼腕錶在交響曲開始和結束之間測量的時間會稍短一些。

 

這不代表腕錶不準確,恰恰相反。腕錶忠實且準確地測量演奏開始和結束之間的時間。確切來說,時間本身在兩枚腕錶上的流逝互不相同。在相對論中,以至在現實中,你的時間是屬於你本人的。當然,差異微乎其微,除非腕錶移動的速度接近光速,那麼差異就會變得相當巨大。

我們越是加速,時間流逝就越慢。

在日內瓦歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(LHC)內,我們讓質子以99.999999%的光速圍繞粒子加速器飛行。質子以這樣的速度每秒圍繞27公里長的環飛行11,000次。然而,對於質子來說,時間流逝的速度慢了7,000倍。我們的1秒,相當於質子的7,000分之1秒。

 

但是,從粒子的角度看,它們的腕錶仍以每秒一秒的速度滴答作響。你可能會說這自相矛盾,其實不然,因為反過來說,從粒子的角度看,加速器環的周長從27公里縮短至4米,結果是一樣的。空間與時間被交換了;它們被混合了。這只是另一種思考相對論的方式。

那麼,我從腕錶讀取的時間,只對我自己有用嗎?

在愛因斯坦的理論中,有所謂的正常時間。如果你戴著腕錶,你會看到它總以每秒一秒的速度滴答作響。那就是你的參照框架中的時間。別人可能會去不同的地方,做不同的事。當你再次遇見他,比較腕錶時,會發現你們以不同的速度變老。但對於那個人來說,在他的參照框架中,時間總以每秒一秒的速度行進。

IWC葡萄牙系列永年曆腕錶IW505701的月相盈虧顯示準確度達4500萬年之久
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IWC葡萄牙系列永恆曆腕錶

IW505701

IWC葡萄牙系列永恆曆腕錶

鉑金 錶殼, 自動上鏈機芯. 黑色Santoni鱷魚皮錶帶, 錶帶寬 22.0 毫米.

瑞士製造

— IWC葡萄牙系列永年曆腕錶IW505701的月相盈虧顯示準確度達4500萬年之久

IWC萬國錶52640型自製機芯正在裝上400年齒輪

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「世界線」背後的意義

不同人的時間流逝速度為何不同?

愛因斯坦的相對論以事件為對象。打響指是一個事件;點蠟燭是一個事件。我們坐在這裡,彼此交談。這是一個事件。我們可以說,明年,我們會再見,到時候看看誰變得更老。這個問題是有答案的:這取決於我們每個人在時空中走過的路線。

 

我們在不同事件之間所走的路線,給予我們既定的路線長度。這個長度便是腕錶上測量的時間。從這個意義說來,腕錶不是計時工具,而是測距裝置。這就好比問:「沙夫豪森與倫敦之間的距離是多少?」這取決於你如何前往。

您能舉例說明何謂時空嗎?

多年來,我對時空的理解、教給學生的概念是,時空是一幅地圖。將時空設想為所有事件的集合——在我們的宇宙中的空間和時間中發生的所有事情。現在,想像一起在地圖上畫點。從一個事件到另一個事件之間,有一條線,是你在地圖上走過的路線。這就是你的世界線。我們在地圖上漫步時,我們的腕錶會測量世界線的長度。

如果可以將時間理解成距離,我們一生會走多遠?

根據愛因斯坦的理論,我們在時空中走過的距離就是我們的年齡。這是簡單明瞭的答案。如果你活了77年6天3秒,這就是你走過的距離,是很優美的。確切地說,你的年齡就是你在時空中走過的距離。

如果你完全接受愛因斯坦的理論,那麼所有的時空都已在地圖上了。不只是過去,還有未來。

時空感知

世界線是一開始就規劃好的嗎?抑或是在我們行進的過程中形成?

如果你完全接受愛因斯坦的理論,那麼所有的時空都已在地圖上了。不只是過去,還有未來。有一種「塊狀宇宙」的觀念,將時空理解成不變的四維塊狀物,而非隨著時間流逝不斷變化的三維空間。但有些物理學家認為,未來是以某種方式建立起來的。我們正在探討的事情稱為量子重力理論。重力是時空的曲率,與空間和時間息息相關。然而,如今似乎人人都同意,大概有更深層次的理論存在。

那可以是怎樣的理論?

我們開始懷疑,空間和時間是從其他沒有時間和空間的東西產生的。人類的意識就是一個類比。你可以將人類想像成遵循自然法則的原子集合體,新的、不一樣的東西從中產生。

 

我們觀察腕錶時會發現它的美——箇中道理為何?無論如何,它都是從沒有「美」的事物中產生的。同樣,我們開始相信有更深的層次,可能是弦理論,或是某種關於物體相互作用的量子理論。不知何故,對於時空的感知由此而生。

謝謝您,布萊恩,為我們帶來這場解構物理學家思維的啟發之旅!

布萊恩·考克斯與IWC萬國錶首席執行官克里斯多夫‧格萊恩格-海爾正在錄製podcast

— 布萊恩·考克斯與IWC萬國錶首席執行官克里斯多夫‧格萊恩格-海爾正在錄製podcast

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