福利丨真的有人知道现在是什么时间了吗?请接受卡罗尔的挑战

又到了星期五,书评君的福利派来啦!

时间究竟是什么?将来和过去,到底有什么不同?

时间和空间,都是从哪里来的?

无论你身处哪个星系,时间都只会往一个方向流逝(www.hqyd.net)。这到底是为什么?

三十年前,史蒂芬·霍金试着通过理解大爆炸来阐释时间。但对于时间的本质,我们往往还是难以理解。我们当然可以通过网络、字典或者什么别的方式获得一些答案,但这些答案依然令我们感到困惑。本期想要推荐给大家的是来自美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔的新作《从永恒到此刻》(定价:98元)

肖恩·卡罗尔在哈佛大学获得博士学位之后,继续在物理学、宇宙学和引力方面进行研究,是美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士。他参与创建了群组博客“宇宙多样性”(Cosmic Variance),曾获得刘易斯•托马斯科学写作奖。肖恩·卡罗尔最为有影响力的作品包括《大图景》《寻找希格斯粒子》等科普著作,在《大图景》中,肖恩·卡罗尔通过天文学、物理学、化学、生物学和哲学等视角,带领读者尝试一起思考世界的本质,以及在宏大宇宙中个人的意义和价值。而在此次推出的《从永恒到此刻》中,卡罗尔将再次带领大家解读时间的本质,熵的重要性以及宇宙学的作用。

肖恩•卡罗尔,美国加州理工学院的理论物理学家。

本周福利

《从永恒到此刻》

前方预警,福利来袭

那么时间究竟是什么?没有人问我,我倒清楚,有人问我,我想说明,便茫然不解了。

—— 奥古斯丁(St. Augustine),《忏悔录》

对于生活在这个世界上的人们来说,时间可能是最为重要的概念之一。而对于物理学家来说,时间在基本层面的意义,更是最难以捉摸的奥义之一。

正如肖恩·卡罗尔所言,《牛津英语词典》的研究人员透露,在英语中用得最多的名词,就是时间。我们生活在时间当中,如痴如醉地追寻着时间,而且每天都在和时间赛跑——但出乎意料的是,很少有人能给出时间究竟是什么的简单解释。

作为《时间之箭》的进阶版,《从永恒到此刻》是一部关于时间本质的现代物理通识作品。在史蒂芬·霍金之后,肖恩·卡罗尔说,我们要有更大的雄心。他在书中展示了时间之箭的存在为何应归因于大爆炸之前的环境,以及我们的宇宙只是大家族的一分子,在这个家族中,很多宇宙所经历的时间都与我们相向而行。

霍金证明,黑洞并非完全黑尽,而是会散发辐射。这表明黑洞有熵,而且最终会蒸发殆尽。黑洞为熵和引力之间的联系提供了关键线索。在大爆炸附近,宇宙的熵极低。随着宇宙膨胀,熵也在增加,同时引力将物质拉在一起,形成恒星、星系和黑洞。但熵还是比能达到的最大值小得多;真正的高熵状态会看起来就像真空一样。

对我们观测到的时间之箭很多解释都可能成立,包括根本上不可逆的物理学定律,以及物理定律之外的边界条件。仅用可逆定律来解释时间之箭,就要求我们把可观测宇宙跟时间对称的多重宇宙联系起来。这些推测一直是热门的研究主题。显然,在我们对自然界的了解中,宇宙的起源和时间之箭是最主要的尚未解决的问题。从熵到量子力学、时间旅行、信息论,再到生命的意义,肖恩·卡罗尔对纷繁复杂的宇宙学直击要害。

精彩试读

真的有人知道现在是什么时间了吗?

——芝加哥乐队,《真的有人知道现在是什么时间了吗?》

宇宙学就是研究整个宇宙的学问,这门学问在过去的几百年里取得了非凡进展。140亿年前,我们的宇宙(或至少是我们能观测到的这部分宇宙)处于无法想象的炎热、致密的状态,我们管这个状态叫“大爆炸”。从那时起,宇宙就一直在膨胀、冷却,而且在我们看得到的未来还会一直这样进行下去,很可能也会永远如此。

一个世纪以前,我们还对此一无所知——除了银河系,科学家说不上对宇宙结构有任何了解。现在,我们已经摸清了可观测宇宙的底细,能详细描述其大小和形状,其组成和历史轮廓也能说个大概。但还是有些重要问题我们没法回答,尤其是与大爆炸早期有关的。我们会发现,那些问题在我们对时间的理解中将起到关键作用——不只是在遥不可及的宇宙中,就是在我们地球上的实验室中,乃至我们的日常生活中,都是如此。

大爆炸以来的时间

宇宙随着时间流逝而演化,这一点已经很清楚了——早期宇宙炎热、致密,现在的宇宙则寒冷、稀疏。不过我打算说说更深层次的关联。关于时间,最神秘的一点就是它有方向:过去和将来是不一样的。这就是时间之箭。空间中的方向都是以完全等价的方式创造出来的,但时间与此不同,宇宙在时间上不容置疑地有一个首选方向。本书的一大主题就是,时间之箭之所以存在,是因为宇宙在以特定的方式演化。

时间有方向的原因在于,宇宙中充满了不可逆过程——事件在时间的某个方向发生,但绝不会是另一个方向。就像那个老生常谈的例子里说的,你可以让鸡蛋变成摊鸡蛋饼,但是没办法让摊鸡蛋饼变成鸡蛋。牛奶在咖啡里散开;汽油燃烧,变成废气;人们出生、长大,最后死亡。自然界里在任何地方我们都能找到事件序列,其中总有一件事情发生在前,另一件在后;这些事件放在一起,就定义了时间之箭。

世界,以不同时刻为序。对象(包括人和猫)从此刻到下一刻都持续存在,定义了在时间中延续的世界线。

值得注意的是,有一个概念是我们理解不可逆过程的基础。这个概念叫做熵,用来度量物体或物体集合的“无序程度”。随着时间推移,熵会顽固地倾向于增加,或至少保持不变,这就是著名的热力学第二定律。熵总是会增加的原因表面看来似乎挺简单:处于无序状态的方式比有序的要多,因此(其它条件相同时)有序状态就会自然而然地倾向于变成无序。把鸡蛋分子炒成摊鸡蛋饼的样子没什么难的,但要把这些分子小心翼翼地重组成鸡蛋就不是我们能办到的了。

物理学家讲给自己听的传统故事通常到此为止。但是,还有一个绝对至关重要的因素没有得到足够重视:如果宇宙中的一切都在向更加无序的状态演化,那宇宙肯定是从一个极度有序的状态出发的。这整个逻辑链条号称能够解释为什么不能将摊鸡蛋饼变成鸡蛋,显然是基于一个关于宇宙初始状态的重要假设:这个状态的熵非常低,非常有序。

时间之箭将早期宇宙与我们生命所经历的每一个时刻联系了起来。这不只是打破鸡蛋,或是把牛奶混进咖啡,又或是无人打理的房间如何倾向于随着时间流逝而变得更加杂乱无章之类的不可逆过程。时间之箭就是为什么时间看起来就像在我们身边流动的原因,或者说(如果你更喜欢这个说法)为什么我们似乎在穿过时间。这就是为什么我们会记得过去,但不会记得将来。这就是为什么我们会演化、会新陈代谢,并最终死亡。这也是为什么我们会相信因果,而这一点对我们关于自由意志的观念也至关重要。

而且,这些全都是因为大爆炸。

我们看到的并非全部

时间之箭的奥秘可以归结为这样一点:为什么早期宇宙中的条件会以非常特殊的方式设置?这个结构的熵非常低,使得所有有趣的、不可逆的过程能够实现。这就是本书试图解答的问题。但不幸的是,还没有人知道正确答案。但现代科学的发展已经到了一个阶段,现在我们有办法认真对待这个问题了。

科学家和现代科学出现以前的思想家都总在试图理解时间。在古希腊,苏格拉底以前的哲学家赫拉克利特(Heraclitus)和巴门尼德(Parmenides)对于时间的本质有相当不同的看法。赫拉克利特强调改变的重要性,而巴门尼德完全否定改变的现实。19世纪是统计力学的黄金时代,人们从微观组成出发,推导出了宏观物体的性能。其中涌现了像是路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)、詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)以及约西亚·威拉德·吉布斯(Josiah Willard Gibbs)等英雄人物,想出了熵的意义及其在不可逆过程中的作用。但他们并不知道爱因斯坦的广义相对论或量子力学,当然也不可能了解现代宇宙学。在科学史上还是第一次,我们至少有了将时间的合理理论与宇宙的演化放在一起的机会。

为了找到出路,我打算给出如下提议:大爆炸并非宇宙的开端。宇宙学家有时候会说,大爆炸代表着时间和空间的真正边界,在大爆炸之前一无所有——实际上,就连时间本身都还不存在,因此“之前”这个概念严格来讲也并不适用。但是,我们对物理学的终极定律还不够了解,还没有信心做出类似这样的陈述。科学家越来越多地认真考虑,有没有可能大爆炸并不是一个真正的开端,而只是宇宙(或至少是我们这部分宇宙)所经历的一个阶段。如果真有这种可能,我们的宇宙一开始熵如此之低的问题就变成了另一种类型:不再是“为什么宇宙以这么低的熵开始”,而成了“为什么我们这部分宇宙经历了熵这么低的一个时期”。

这个问题听起来一点儿也不容易,但好歹是个不一样的问题,可能也开启了一系列新的答案。也许我们看到的宇宙只是比这还要大得多的多重宇宙的一部分,而这个多重宇宙完全不是从低熵状态开始的。我会证明,多重宇宙最合理的模型是,在多重宇宙中熵在增加是因为熵永远可以增加,没有一个熵最大的状态。额外好处是,多重宇宙在时间上完全可以是对称的:从中间某个熵很高的时刻开始,它可以向过去、向未来演化到熵更高的状态。我们看到的宇宙只是沧海一粟,而我们从致密的大爆炸到无穷无尽的虚空的特别之旅,也只不过是更为广阔的多重宇宙追求熵增的一小部分。

不过,这只是可能性之一。我在这里提出来,是作为宇宙学家需要考虑的设想之一——如果他们想认真看待由时间之箭带来的问题的话。但无论这个特别的想法有没有脱线,这些问题本身都有趣又有料。本书将有大量篇幅用于从不同角度审视这些问题:时间旅行、信息论,量子力学,永恒的本质。如果我们无法确定终极答案,那我们就理应以尽可能多的方式来提出这个问题。

——《从永恒到此刻》之前言部分

《从永恒到此刻:追寻时间的终极奥秘》

作者:[美]肖恩·卡罗尔

译者:舍其

版本:湖南科学技术出版社

2021年5月

如何

参加

1

想要书的朋友请在下方留言区直接留言,给我们发来你想要《从永恒到此刻》的理由,或者你对时间的思考。

2

《从永恒到此刻》赠书共5册,将赠送5位读者。我们将在点赞数量最高的3位读者中选择1位读者(同一位读者通过点赞方式仅能获得一次,留言需真诚且和本书有关),同时选择留言最为精彩的4位读者赠出该书。没有获得赠书的读者,也可以点击封面进行购买(有优惠价格哦)

3

活动截止日期:2021年8月8日10时(我们会通过回复留言确认福利获得者,然后请被选中的读者另外单独发一条留言,告诉书评君你的邮寄地址和联系方式)

文案:安也;编辑:申婵;校对:李世辉。

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