时间是不是真的在流动?

我们个人经历的一切都表明未来是开放的,但是现在是非常真实的,所以制定物理定律是非常重要的。

如果数字不能有无限的数字串,那么未来就不能完全预先确定。

新浪科技新闻,北京时间,4月9日,物理学定律暗示时间的流逝只是一种幻觉,为了避免这一结论,我们可能不得不重新思考无限精确数字的现实。

虽然在固定的过去和开放的未来之间似乎有一把双刃剑,但我们一直在跨越它。但奇怪的是,这种刀刃——也就是“现在”——在现有的物理定律中找不到。

例如,在爱因斯坦的相对论中,时间和三维空间交织在一起,形成一个弯曲的四维时空连续体,即“块宇宙”,它包括整个过去、现在和未来。爱因斯坦的方程描述了宇宙中的一切从一开始就被决定了。宇宙的初始条件决定了之后会发生什么。惊喜不会发生,只是看起来会发生。1955年,爱因斯坦去世前几周写道:“对于我们这些相信物理学的人来说,过去、现在和未来的区别只是一种顽固的幻觉。”

尼古拉·吉辛(Nicolas Gisin)在他的家庭办公室里,俯瞰着花园。

爱因斯坦认为现实是永恒的和预先确定的,这种观点今天仍然很流行。葡萄牙里斯本大学的宇宙学家玛丽娜·科尔特斯说:“大多数物理学家相信块状宇宙理论,因为它是由广义相对论预测的。”

然而,她也指出,“如果有人被要求更深入地思考宇宙意味着什么,他们将开始质疑和动摇它的意义。”

量子力学是物理学的一个分支,描述粒子的概率行为。在仔细思考时间的物理学家看来,量子力学带来了许多麻烦。在量子尺度上,不可逆转的变化将过去和未来区分开来:一个粒子可以同时拥有多个量子态,直到你测量,这个粒子才会落入其中一个。神秘的是,单个的测量是随机的和不可预测的,尽管粒子行为通常遵循统计模式。量子力学中的时间本质和相对论中的时间运行模式之间的明显不一致导致了不确定性和混乱。

瑞士物理学家尼古拉斯·吉辛在2019年发表了四篇论文,试图驱散物理学中挥之不去的时间迷雾。根据吉辛的说法,这个问题一直是一个数学问题。他认为一般意义上的时间和我们所说的“现在”可以很容易地用“直觉数学”来表达。这是一种有100年历史的数学语言。它反对无限数的存在(如所有自然数的集合)。根据吉辛的观点,当直觉数学被用来描述物理系统的进化时,它可以清楚地表明“时间确实在流逝,新的信息正在被创造”。此外,在这种形式系统下,爱因斯坦方程中隐含的严格决定论让位于量子形式的不可预测性。如果数字的准确性是有限的,那么自然本身就是不准确的,因此是不可预测的。

很少有人试图用新的数学语言来修改物理定律。物理学家仍在消化吉辛所做的工作,但许多参与辩论的人相信,他们或许能够搭建一座桥梁,弥合广义相对论决定论和量子尺度固有随机性之间的概念差异。

“我认为这很有趣,”哈佛大学的量子信息科学家尼科尔·哈尔彭在回应尼古拉斯·吉辛最近发表在《自然物理学》上的文章时说。"我愿意给直觉数学一个机会."

玛丽娜·科尔特斯(Marina Cortes)表示,吉辛的方法“非常有趣”,其含义“令人震惊且具有煽动性”。她说:“这确实是一个非常有趣的正式系统,它解决了自然界中精度有限的问题。”

吉辛说,我们个人经历的一切都表明未来是开放的,但现在是非常真实的,所以制定物理定律是非常重要的。“我是一个脚踏实地的物理学家,”他说,“时间在流逝,我们都知道这一点。”

信息和时间

67岁的冀鑫首先是一名实验者。他在日内瓦大学经营一个实验室,并在量子通信和量子密码学方面进行了一些开创性的研究。然而,他也是一位罕见的跨界物理学家,并因其重要的理论见解而闻名,尤其是那些涉及量子机会和非局域性的见解。

周日早上,吉辛没有去教堂,而是习惯了静静地坐在家里的椅子上,拿着一杯乌龙茶,思考着深奥的概念难题。大约两年半前的一个星期天,他意识到在爱因斯坦的理论和其他“经典”物理理论中,时间的确定性图景隐含着无限信息的存在。

以天气为例,因为它是一个混乱的系统,或者对微小的差异高度敏感,我们无法准确预测一周内的天气。然而,因为这是一个经典的系统,教科书告诉我们,原则上我们可以在一周内预测天气,只要我们能准确测量每一朵云、每一阵风和蝴蝶翅膀。天气的实际物理规律就像时钟,每一分钟都完全一样。然而,由于我们自身的缺点,我们不能用足够精确的小数位来测量天气状况,因此我们不能做出准确的预报。

现在,把这个想法扩展到整个宇宙。在一个预先确定的世界里,时间似乎只会展开,任何时候都会发生的事情实际上都必须从一开始就设定好,每个粒子的初始状态都用无数精确的数字编码。否则,可预测的宇宙本身将在遥远的未来崩溃。

然而,信息是物理的。现代研究表明,信息需要能量并占据空间。任何空间都有有限的信息容量(最密集的信息存储发生在黑洞中)。吉斯森意识到宇宙的初始条件需要把太多的信息塞进有限的空间。“一个实数和一个无穷大的数在物理上是没有意义的,”他说。宇宙隐含地假设无限信息的存在,并且将不可避免地瓦解。

吉辛在物理学中找到了一种描述时间的新方法。该方法不假设初始条件的无限精度。

时间逻辑

现代学术界已经接受了实数连续统的观点,其中大多数在小数点后有一个无穷数,但这一观点并没有反映20世纪头几十年关于这个问题的激烈争论。伟大的德国数学家戴维·希尔伯特相信一种现已成为标准的观点,即实数是存在的,可以作为完整的实体来操纵。反对这一观点的是荷兰著名拓扑学家鲁伊斯·布鲁沃(L.E.J .布鲁沃)领导的数学“直觉主义者”,认为数学是一种结构。布鲁沃坚持认为,数字必须是可配置的,数字的数量可以计算,或者可以选择或随机确定。他指出,数字是有限的,也是过程性的:当更多的数字以他所谓的选择序列的形式出现时,它们变得更加准确;选择序列是产生越来越精确的值的函数。

直觉主义把数学建立在一个可以构建的基础上,并对数学实践和判断哪些陈述是正确的产生了深远的影响。直觉主义逻辑与标准数学的最根本的背离是否定排除中间法则,这是自亚里士多德时代以来就被吹捧的一个原则。排除中间法则意味着一个命题要么是真的,要么它的无命题是真的。这是一组清晰的选择,并提供了一个强大的推理模式。然而,在布劳威尔的框架中,关于数字的陈述在给定的时间内既不是“真”也不是“假”,因为数字的确切值还没有被显示出来。

当涉及到像4、1/2或π(圆的周长与直径的比率)这样的数字时,标准数学没有什么区别。虽然π是无理数,并且没有有限的分数,但可以用一种算法来生成它的十进制展开式,使π像1/2一样确定。然而,如果它是另一个数x,大约是1/2呢?

假设x的值是0.4999...,以下数字在选择序列中展开。也许9的序列会持续到永远,在这种情况下,x收敛到1/2(0.4999…= 0.5在标准数学中是有效的,因为x和1/2之间的差小于任何有限差)。

但是,如果在下面的序列中某个点出现了9以外的数字,例如,x的值变成4.999999999997 …,那么无论发生什么,x都小于1/2。在此之前,当我们只知道0.4999时,“我们不知道9以外的数字是否会出现,”卡尔·波西解释道,他是以色列耶路撒冷希伯来大学的数学哲学家,直觉数学的权威专家。"当我们考虑x的值时,我们既不能说x小于1/2,也不能说x =1/2。"命题“x =1/2”不是真的,它的否定命题也不是真的。排除中间法则不成立。

此外,连续体不能清楚地分成两部分,一部分是所有小于1/2的数,另一部分大于或等于1/2。波西说:“如果你试图把连续体分成两半,这个数字X会粘在刀上,不会分成左右两边。”。"连续体是粘性的,不能切割."

希尔伯特把数学中排除中间法则的去除比作“禁止拳击手使用拳头”,因为这个原则是数学推理的基础。尽管布劳威尔的直觉框架令库尔特·高德尔和赫尔曼·韦勒着迷,但标准数学在现实生活中占主导地位,因为它易于使用。

时间的传播

2019年5月,在卡尔·波西出席的一次会议上,吉辛第一次接触到直觉数学。当两人开始交谈时,吉辛很快发现了这个数学框架中描述的小数位数和宇宙中时间的物理概念之间的联系。当不确定的未来成为具体的现实时,物化的数字似乎自然地对应于定义现在的一系列时刻。排除中间法则的缺失类似于关于未来的不确定性命题。

在2019年12月发表在《物理评论》上的一篇论文中,吉辛和他的合作者弗拉维奥·德尔·桑托用直观的数学语言阐述了经典力学的另一个版本,并做出了与标准方程相同的预测,但用不确定性描述了事件。这创造了一个新的宇宙图景,其中不可预测的事情将会发生,时间将会展开。

这有点像天气。回想一下,我们无法准确预测天气,因为我们无法无限精确地知道地球上每个原子的初始状态。但是在吉辛的非决定论版本中,这些无限精确的数字从来就不存在。直觉数学抓住了这一点:当未来在一个选择序列中发展时,精确指定天气状态并指示其未来发展的数字被实时选择。瑞士联邦理工学院的量子物理学家雷纳托·伦纳说,吉辛的论点“指向了确定性预测根本不可能的方向”。

换句话说,世界是不确定的,未来是开放的。吉斯辛指出,时间“不会像电影一样在电影院上映。事实上,它正在创造性地发展,新的数字是随着时间的推移而产生的。”

伦敦帝国理工学院的量子引力理论学家费伊·道克说,她“非常同意”吉辛的观点,因为“他站在我们这一边,认为物理学与我们的经验不一致,所以缺少了一些东西。”杜克同意数学语言塑造了我们对物理学中时间的理解。标准的希尔伯特数学将实数视为完整的实体,这“显然是静态的,并且具有不受时间限制的特性,这无疑是对物理学家的限制,尤其是当我们试图包括一些动态的东西时,例如时间流逝的经验”。

对于像杜克这样对重力和量子力学之间的联系感兴趣的物理学家来说,这种新的时间观最重要的启示是它将如何建立两种长期以来被认为不相容的世界观之间的联系。“对我来说,一个启示是,”雷纳说,“在某些方面,经典力学比我们想象的更接近量子力学。”

量子不确定性和时间

如果物理学家想解开时间之谜,他们不仅要与爱因斯坦的时空连续体搏斗,还要理解宇宙的量子本质(由机遇和不确定性所主宰)。量子理论描绘的时间图景与爱因斯坦的理论完全不同。雷纳说:“我们的两个主要物理理论,量子理论和广义相对论,有不同的说法。”他和其他几位物理学家指出,这种不一致使得建立量子引力理论(描述空间和时间的量子起源)和理解大爆炸发生的原因变得非常困难。“让我们看看哪里有矛盾,我们有什么问题。最终这一切都归结为时间的概念,”雷纳说。

量子力学中的时间是刚性的,不是弯曲的,并且与相对论中的空间维度纠缠在一起。此外,量子系统的测量“使时间在量子力学中不可逆,而在其他方面量子理论是完全可逆的,”雷纳说,“所以时间在这件事上起了作用,但我们仍然不太了解它。”

根据许多物理学家的理解,量子物理学告诉我们宇宙是不确定的。“你可以发现两个铀原子,一个在500年后衰变,另一个在1000年后衰变,但是它们在所有方面都是相同的,”新泽西普林斯顿高等研究所的物理学家尼玛·阿卡尼·哈姆德说。"从任何意义上说,宇宙都不是确定的."

然而,其他流行的量子力学解释,包括对“多世界”的解释,都试图使经典的确定性时间概念继续存在。这些理论将量子事件描述为既定的现实。例如,多世界理论认为,每一次量子测量都将世界分成多个分支,以达到每一个预设的可能结果。

吉辛的想法正好相反。他希望为经典物理学和量子物理学提供一种共同的、不确定的语言,而不是试图把量子力学变成一种确定的理论。然而,这种方法在很大程度上偏离了标准量子力学。

在量子力学中,信息可以被破坏,但不能被创造或破坏。然而,如果定义宇宙状态的数字随着时间的推移而增加,正如吉斯森所提议的,那么新的信息将继续出现。吉辛说,他“绝对”反对信息保存在自然界的观点,主要是因为“新信息显然是在测量过程中产生的”。他补充道:“我的意思是,我们需要用另一种方式来看待这些总体想法。”

这种新的信息思维方式可能会解决黑洞信息的悖论。这个悖论提出了一个问题:被黑洞吞噬的信息会发生什么?广义相对论认为信息会被毁灭,而量子理论认为信息会被保存。如果用直觉数学表达的量子力学允许通过量子测量创造信息,它也允许信息被破坏。

伦敦大学学院的理论物理学家乔纳森·奥本海默认为信息确实在黑洞中丢失了。他不知道布鲁沃的直觉主义是否能像吉斯森声称的那样成为证明这一点的关键,但他说有理由相信信息的创造和毁灭可能与时间密切相关,“随着时间的推移,信息被毁灭;它不会因为你在太空中移动而被摧毁。”构成爱因斯坦宇宙的维度之间有很大的差异。

除了支持创造性(可能是破坏性)时间的概念,直觉数学为我们对时间的有意识体验提供了一个新颖的解释。回想一下,在这个框架中,连续体是粘性的,不能分成两部分。吉斯森将这种粘性与我们的感觉联系在一起,即“现在”有“厚度”。这是一个重要的时刻,不是一个将过去和未来完全分开的零宽度点。在基于标准数学的标准物理学中,时间是一个连续的参数,可以取数轴上的任何值。然而,吉辛说,“如果连续体是由直觉数学表达的,那么时间就不能减半。”它很厚,“像蜂蜜一样厚”。

到目前为止,这只是一个类比。奥本海姆说,他“对‘厚现在’的概念感觉很好”。我不知道为什么我们会有这种感觉。”

时间的未来

Giacin的想法引起了其他理论物理学家的一系列反应,他们也有自己的意识形态实验和对时间的直觉。

几位专家一致认为,实数在物理学中似乎并不真实,物理学家需要一个不依赖于实数的新的形式系统。在普林斯顿高级研究所研究黑洞和量子引力的理论物理学家艾哈迈德·阿尔米里认为,量子力学“排除了连续体的存在”。量子数学把能量和其他量捆绑在一起,更像是整数而不是连续体。黑洞中无限的数字被截断。“黑洞似乎有无限个连续的内部状态,但是这些数量被切断了,”他说,由于量子引力效应。“实数不可能存在,因为你不能把它们藏在黑洞里。否则他们会隐藏无止境的信息。”

英国布里斯托尔大学的物理学家桑杜·波佩斯库经常同意吉星的观点。他同意后者的不确定性世界观,但也表示他不相信直觉数学是必要的。波普斯图书馆反对将实数视为信息的观点。

阿卡尼-哈米德认为,吉辛对直觉数学的应用非常有趣,可能在重力和量子力学之间的明显冲突中发挥作用,比如黑洞和大爆炸。“这些问题,比如数字的有限性,事物的基本存在,是否有无穷多个数字,或者数字的创造等等,”他说,“可能最终会与我们应该如何看待宇宙学联系起来,尤其是在不知道如何应用量子力学的情况下。”他也看到了一种新的数学语言的需要,这种语言可以将物理学家从无限精确中“解放出来”,并允许他们“谈论总是有点模糊的事情”

吉辛的想法已经引起了许多人的共鸣,但它们仍需要被丰富。接下来,他希望找到一种方法,用有限和模糊的直觉数学来重建相对论和量子力学,就像他对经典力学所做的那样,这可能会使两种理论更接近。他对如何处理量子力学有一些想法。

量子力学中出现“无限”的方式之一是“尾巴问题”。当你试图定位一个量子系统,比如月球上的一个电子,“如果你使用标准数学,你必须承认月球上的电子在地球上被探测到的可能性非常小,”吉辛说。代表粒子位置的数学函数会留下一条“尾巴”并“指数下降,但不是零”

但是吉辛想知道,“我们应该把什么样的现实归因于一个超小的数字?大多数实验学家会说,“让它归零,停止质疑”。但是更理论化的人可能会说,‘好吧,但是从数学的角度来看,有些事情。"

“现在这取决于使用哪种数学,”纪信继续说道。“古典数学中的确有些东西。在直觉数学中,什么都没有。”电子在月球上,它们出现在地球上的概率为零。

自从吉辛的论文发表后,未来变得更加不确定。对他来说,现在每天都是星期天,因为流行病笼罩着世界。由于他不能去实验室,只能在屏幕上看到他的孙女,他的下一个计划是端着杯子,继续思考在花园景观中的时间。

原标题:时间真的流动吗?

标题:时间是不是真的在流动?

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