卡尔罗·罗维利：没有时间的世界与时间的涌现

卡尔罗·罗维利：没有时间的世界与时间的涌现

卡尔罗·罗维利（Carlo Rovelli）

描述时空/引力的广义相对论与描述物质运动的量子力学是当代物理学的两大支柱理论。两个理论都在各自领域取得了巨大的成功。然而，二者在一些基本点上却并不相容，比如广义相对论主张世界在基础层面是连续的、决定论的，而量子力学却主张世界在基础层面是离散的（granular）、非决定论的等。广义相对论和量子力学的相容问题是当代物理学研究的一个基础方向。圈量子引力理论是尝试解决这一问题的理论之一，该理论量子化了空间 （空间是分粒的），空间是引力场的量子 （“space is quanta of gravitational field”），并且主张世界是由量子场（quantum fields）构成的，包括了空间。世界不再是关于粒子在空间中随时间的运动，而是关于量子场的事件的不断发生（events happening）。圈量子引力和弦论的不同之处之一表现在圈量子引力研究时间和空间本身，而弦论研究物体在时间和空间内的运动。

圈量子引力的理论基础是约翰·惠勒（John Wheeler）和布赖斯·德维特（Bryce DeWitt）这两位著名物理学家于1967年所提出的量子引力理论的首个方程——惠勒-德维特方程（the Wheeler-DeWitt equation）。惠勒-德维特方程的一个重要的特点是，方程中不包含时间变量。基于此方程发展出来的圈量子引力理论同样保留了这一特征。这使得罗维利认为，世界在基础层面上是不具有时间特征的。

其实，在罗维利发展圈量子引力理论之前，爱因斯坦的相对论已经使得传统意义上的时间概念面临巨大的危机甚至崩塌。传统上，人们认为时间的快慢是通过时钟测量的，时间的流逝是均匀的、客观的；然而，相对论却揭示了时钟测量的时间与时钟的运动状态、所处的位置等都相关。这导致时间测量获得的结果以及“过去-现在-未来”等重要时间概念通常只对于测量者所在局域空间是有意义的，并不存在对全宇宙或所有观察者都有意义的普遍时间。

既然传统的时间概念面临重重危机甚至崩塌，而圈量子引力理论用来描述世界的基本物理方程又没有时间变量，那么，一个合理的推测便是，或许世界在基础层面上是没有时间的，也就是说时间在基础物理所描述下的世界消失了。

然而，如果世界在基础层面是没有时间的，我们日常经验到的时间特征又是怎么来的呢？是否只是幻象呢？如果是幻象的话，这一幻象又是如何产生的呢？因此，如果罗维利要主张世界在基础层面是没时间的话，他必须要回答的一个问题便是：经验时间 （experiential time）是如何从没有时间的物理世界涌现（emerge）出来的？

在理解经验时间是如何涌现出来之前，首先需要分析经验时间具有的基本特征。我们经验到的时间具有方向性，也就是说我们可以分辨过去和将来，我们可以记住过去发生的事，但没有关于未来的记忆；可以影响未来，但无法改变过去等等。因此，如果要主张基础物理描述下的世界是没有时间的，而我们又可以经验到时间，那么时间和时间方向如何从没有时间的世界中涌现出来？

物理学中，除了热力学第二定律外，所有的基础物理学定律都具有时间对称性（time symmetry）。这使得体现时间的方向性的地方都必然涉及到热现象。热力学中的时间方向性体现在熵（entropy）这一概念上。一个物理系统的熵表示了该物理系统中微观组成部分结构的有序度。根据热力学第二定律，物理系统的熵总是增加的。换言之，物理系统的微观构成部分之间的结构在有序度上总是降低的，或者说系统的序总是越来越混乱的。

那么，我们为什么会认为物理系统的无序度总是在增加的。罗维利认为，这是因为我们总是用特定的视角（perspective）与世界相互作用的结果，即熵增只是我们所处视角的结果，而非是世界本身的特征。也就是说，时间方向在于我们，而非在于世界本身。

怎么理解无序度的增加只是我们视角的结果呢？罗维利给出了一个简单的例子进行说明。假设我们面前有一副扑克牌，一开始的时候，扑克牌的前26张牌都是红色的。当洗牌后，牌的顺序通常会被打乱，有序度会降低。然而，如果进一步思考的话，我们之所以会认为扑克牌的的排序变得更加无序，只是因为我们习惯性地认为，同样颜色的牌都排列在一起要比不同颜色的牌混着排列更加有序；但学过数学排列的人都知道，实际上扑克牌的每一种排列都是等价的。如果每一种排列都是等价的，那么洗牌使得扑克牌从一种排列变成另外一种排列就无所谓无序度增加了。而我们之所会觉得无序度增加，只是因为我们给牌做了标记（扑克牌上的颜色和图案等），记下了这些标记，并且对于牌的关注也主要在这些标记。当扑克牌的排序同我们更习惯的和更关注的顺序不同时，我们便认为牌的无序度增加了。因此，无序度的增加，更多的只是我们习惯于用特定视角看世界的结果，而非扑克牌本身的无序度在增加。

需要强调的是，这里所说的时间方向在于我们，而非在于世界，并非是说时间方向是我们的精神主观地构造出来的，而是指它是与我们生存的环境相关联的。我们生存的环境只是宇宙的一小部分，使得我们只是与宇宙中所有可能变量的一小部分相互作用，并用这部分变量来描述世界，从而导致我们只是以一种近似的（approximate）且模糊的（blurred）方式理解世界。正是由于我们处于特定的局域和特定的视角，才使得我们会如同扑克牌例子中那样，会认为熵总是增加的，或者认为过去的熵是更小的。反之，对于宇宙全局而言，从微观世界来看，宇宙所有变量的不同的可能状态都是等价的，从而使得我们描述世界的视角的独特性不复存在，也就不会认为过去的熵更小。

近年来，罗维利进一步探究他在时间和时间方向上的研究对记忆和能动性等人类认知和行为领域的可能洞见。在记忆上，我们有对过去的记忆，但却不具有对未来的记忆。在能动性上，作为能动者（agent），我们能够影响未来，却无法改变过去。那么，记忆和能动性的这种不可逆的现象（irreversible phenomena）的产生机制（mechanism）又是怎样的呢？

罗维利认为，答案很可能只能是来自热力学第二定律，也就是熵总是增加的。大致地来讲，记忆和能动性都是生成宏观世界信息的机制（我们无法直接认知微观世界）；低熵的过去包含了视角从所有可能变量中选取部分变量的信息；记忆和能动性将低熵的过去中储存的信息（the information stored in low entropy）转变为宏观世界中的可读信息(information readable in the macroscopic world)；能动性是能动者在外在的宏观世界留下的痕迹（trace)，记忆则是外在宏观世界在记忆系统留下的痕迹。

总之，在罗维利的研究中，尽管物理世界在基础层面是没有时间方向的，宏观视角下的过去熵更小或初始状态的熵更小（low entropy in the past or at the initial state），使得时间反演不变性（time reversal invariance）被打破，产生了我们所经验到的各类时间方向特征。

罗维利的理论和其对时间和空间的反思，还产生许多有趣的洞见，让我们期待罗维利的讲座，并欢迎所有对时间和空间问题感兴趣的读者参加讲座，与罗维利教授进行交流。