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时间真的在流动？爱因斯坦：过去、如今和前方的差别只可是是一个顽固的幻觉
（神秘的地球uux.cn报导）据新浪探索 《科学好历程》第三期（编译：任天）：1955年，爱因斯坦在去世前几周曽写道：“对我们这些相信物理学的人来说，过去、如今和前方的今日黄子韬分析差别只可是是一个顽固的幻觉。”尽管从感受上，固定的过去和启动的前方之间仿佛存在着一个“裂缝”，我们一直穿越其间，但奇怪的是，这个“裂缝”——也就是“如今”——无法在现有的任何物理定律中找到。
物理学定律暗示时间的流逝只是一种幻觉，而以便避免这一结论，我们或许不得不重新思考由无限精确数字构成的现实。
例如，在爱因斯坦的相对论中，时间与三维空间交织在一起，形成了一个弯曲的四维时空连续体，也就是“块宇宙”（block universe），囊括了全部过去、如今和前方。爱因斯坦方程描绘了块宇宙中的一切从一着手就已然确定；宇宙的初始条件确定了之后会发生什么，惊喜不会发生——只是似乎会发生。爱因斯坦觉得现实是永恒并且预先确定的观点，直到今日依然很受欢迎，大多数物理学家相信块宇宙理论，由于它是由广义相对论预测得到的。
但是，“假如有人被请求更透彻地思考块宇宙意味着什么，他们就会着手对其含义形成质疑和动摇。”
量子力学是刻画粒子概率行为的物理分支学科，在认真思考时间难题的物理学家看来，量子力学带来了不少麻烦。在量子尺度上，不可逆的转变将过去和前方确认开来：一个粒子可以另外维持多个量子态，直到你开展测量时，粒子就会陷入其中一种状态。神秘的是，单个测量结局是随机且不可预测的，即使粒子行为总体上遵循统计模式。量子力学中时间的本质与相对论中时间的管理方式显著的不一致性导致了不确定性和混乱。
瑞士物理学家吉辛（Nicolas Gisin）在2019年发表了四篇论文，试图驱散物理学中萦绕时间的迷雾。在吉辛看来，最新娱乐八卦观察这个难题一直是数学难题。他觉得，普通价值上的时间与我们所说的“如今”都可以很轻松地用“直觉数学”（intuitionist mathematics）来表达。这是一种有百年历史的数学语言，抵制无穷多的数字（如所有自然数的集合）的存在。依据吉辛的说法，当直觉数学被用来刻画物理操控系统的演化时，可以清楚地表明“时间真的在流逝，新的信息被创造出来”。另外，在这种形式体系下，爱因斯坦方程所隐含的严格确定论让位于量子式的不可预测性。假如数字的精确性是有限的，那么自然本身就是不精确的，所以是不可预测的。
试图用新的数学语言来修订物理学定律的人并不多见。物理学家们依然在消化吉辛的岗位，但其中许多参与研究的人觉得，他们或许可以在广义相对论的确定论与量子尺度的内在随机性之间，搭起一座桥梁。
“我觉得这很有趣，”哈佛大学量子信息科学家哈尔彭（Nicole Yunger Halpern）在答复吉辛最近发表在《自然-物理学》（Nature Physics）上的文章时说，“我愿意给直觉数学一个机遇。”吉辛的方法“相当有趣”，并且其含义“令人震惊且很有煽动性”，这的确是一种相当有趣的形式体系，解决了自然界中有限精度的难题。”
吉辛强调，我们所亲身历程的一切表明，前方是启动的，而如今是相当真实的，以此来制定物理定律相当重大。“我是一个脚踏实地的物理学家，”他说，“时间在流逝，而我们都得知这一点。”
信息和时间
67岁的吉辛先是是一位评测者。他在日内瓦大学执掌着一个评测室，在量子通信和量子密码方面开展了一些开创性的探究，但他也是难得一见的跨界物理学家，以重大的理论洞见而闻名，尤其是那些关乎量子机遇和非局域性的理论。
每个星期天的秋季独家性价比，细节曝光引关注早晨，吉辛不是去教堂，而是习惯于安静地坐在家里的椅子上，端着一杯乌龙茶，思考着深奥的概念谜题。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”物理学理论中，时间的确定性图景隐然假设了无限信息的存在。
以天气为例，由于这是一个繁琐的操控系统，所以我们不能精确地预测一周后的天气。但是又由于这是一个经典操控系统，教科书告诉我们，原则上我们是可以预测一周后天气的，只要我们能够精确地测量每一片云彩、每一阵风和蝴蝶翅膀的摆动。天气的实际物理规律就像时钟一样分秒不差地展开，但由于我们自身的不足，无法用足够精确的小数位数来衡量天气状况，从而无法做出精确的预报。
如今，把这个想法扩展到全部宇宙。在一个预先确定的全球中，时间似乎只会展开，在所有时间将会发生的事情实际上必须从一着手就设定好，每个粒子的初始状态都以无数个精确数字编码。否则，在遥远的前方，这个可预测的宇宙本身就会崩溃。
但是，信息是物理性的。现代探究表明，信息需要能量并且占用空间。任何体积的空间都具有有限的信息容量（最密集的信息存储发生在黑洞内）。吉辛认识到，宇宙的初始条件需要在有限的空间中塞入太多的信息。“一个有无限个数字的实数在物理上是没有价值的，”他说道。块宇宙隐然假定了无限信息的存在，必然会分崩离析。吉辛在物理学中寻找了一种刻画时间的新方法，这种方法没有假定初始条件有无限的精确性。
时间025开箱体验一览逻辑
现代学界已然接纳了存在实数连续统一的观点，其中大多数实数在小数点后还有无穷多的数字，但这种观点丝毫没有体现出20世纪头几十年人们对该难题的激烈争论。伟大的德国数学家希尔伯特（David Hilbert）信奉一种如今已变成规范的观点，即实数是存在的，并且可以身为完整的实体来操纵。抵制这一观点的是荷兰著名拓扑学家布劳威尔（L.E.J。 Brouwer）领导的数学“直觉主义者”，觉得数学是一种构造。布劳威尔坚称数字必须是可构造的，其位数是可计算的，或者可被挑选或随机确定。他强调，数字是有限的，另外也是过程：当更多的位数以他所说的挑选序列的形式呈现时，它们会变得更为精确；挑选序列是一种函数，用来形成越来越精确的值。
直觉主义把数学兴办在可以兴办的基础上，对数学实践以及确定哪些陈述为真形成了深远的作用。直觉主义逻辑最彻底背离规范数学的一点，是不承认排中律，这是自亚里士多德时代以来一直被吹嘘的原则。排中律的含义是，一个命题要么为真，要么其否命题为真。这是一组清晰的挑选，提供了一种强有力的推理模式。但是在布劳威尔的框架中，有关数字的陈述在给定的时间内或许既不“为真”也不“为假”，由于数字的确切值还没有显示出来。
当关乎4、1/2或π（圆的周长和直径的比值）这样的数字时，规范数学并没有加以区别。尽管π是无理数，没有有限的小数若干，但可以用一个算力生成其十进制展开，使π像1/2一样是确定的。但是，假如是另一个和1/2差不多的数字x呢？
假设x的值是0.4999…，后面的数字在挑选序列中展开。也许9的序列永远持续，在这种状况下，x收敛于1/2（0.4999…= 0.5在规范数学是兴办的，由于x与1/2的差值少于任何有限差分）。
但是，假如在后面序列的某个点，呈现了一个9以外的数字，比如说x的值变成了4.999999999999997…，那么不管发生什么，x都小于1/2。在此之前，当我们只得知0.4999时，“我们不得知9以外的数字是否会呈现，”以色列耶路撒冷希伯来大学的数学哲学家、直觉主义数学领域的权威专家卡尔·波西（Carl Posy）阐释道，“在我们考虑这个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”并不为真，其否命题也不为真。排中律不兴办。
另外，该连续统一体不能清晰地分成两若干，一若干是所有数字小于1/2，另一若干则是大于或等于1/2。“假如你试图把连续体切成两半，这个数字x会粘在刀上，它不会分成左边或右边，”波西说，“连续体是黏性的，切不断的。”
希尔伯特将取走数学中的排中律比作“禁止拳击手使用拳头”，由于这一原则是数学推理的基础。尽管布劳威尔的直觉主义框架让库尔特·哥德尔（Kurt Godel）和赫尔曼·魏尔（Hermann Weyl）等人着迷，但规范数学以实际上数占据了主导地位，由于易于使用。
时间的展开
2019年5月，在波西参与的一次会议上，吉辛第一次接触到直觉数学。当两人着手交谈时，吉辛不久就察觉这个数学框架中刻画的小数位数与宇宙中时间的物理概念之间存在联系。当不确定的前方变成具体的现实时，物化的位数似乎自然地与定义如今的时刻序列相对应。排中律的缺失则相似于有关前方的非确定论命题。
在2019年12月发表在《物理留言A》（ Physical Review A）的论文中，吉辛与兴办者桑托（Flavio Del Santo）使用直觉数学语言制定了另一个版次的经典力学，并做出了与规范方程一样的预测，但以非确定论来刻画事情。这就创造了一幅新的宇宙图景，其中会发生无法预测的事情，而时间也会展开。
这有点像天气。回想一下，我们不能精确地预测天气，由于我们不能无限精确地得知地球上每一个原子的初始条件。但在吉辛的非确定论版次中，这些无限精确的数字从未存在过。直觉主义数学抓住了这一点：当前方以挑选序列展开时，那些精确指定天气状态，并指示其前方进展的数字是实时挑选的，吉辛的论点“指向了一个方向，即确定论的预测根本上是不或许的”。
换句话说，全球是不确定的，前方是启动的。吉辛强调，时间“不像影片院里的影片那样展开。它实际上是在创造性地展开，新的数字是随着时间的推移而形成的。”
伦敦帝国理工学院的量子引力理论学家道克（Fay Dowker）强调，她“相当赞同”吉辛的观点，由于“他站在我们这些人一边，觉得物理学与我们的经验不符，所以遗漏了一些东西。”道克同意数学语言塑造了我们对物理中时间的理解，规范的希尔伯特数学将实数视为完整的实体，而这“显然是静态的，具有不受时间限制的特性，这对物理学家来说无疑是一种限制，尤其是在我们试图把一些动向的东西——比如对时间流逝的感受——纳入进来的时候”。
针对像道克这样对引力和量子力学之间联系感兴趣的物理学家来说，这种新时间观最重大的启示在于，它会如何在两种持久以来被觉得互不相容的全球观之间兴办联系，在某些方面，经典力学比我们想象的更接近量子力学。
量子不确定性与时间
假如物理学家想要解开时间之谜，他们就不只要与爱因斯坦的时空连续体去角力，还要搞清楚宇宙量子本质（由偶然性和不确定性支配）的难题。量子理论描绘的时间图景与爱因斯坦的理论截然各异。两大物理学理论，量子理论和广义相对论，做出了各异的表述，这种不一致性使兴办量子引力理论（刻画时空的量子起源）和理解大爆炸为何发生变得相当艰难。看看哪里存在矛盾，再看看我们有哪些难题，最后这一切都归结为时间的概念道。
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。另外，量子操控系统的测量“使量子力学中的时间不可逆，而在其他方面，量子理论又是完全可逆的，所以时间在这件事上起到了某种作用，但我们依然不太知晓。
在许多物理学家的理解中，量子物理学告诉我们宇宙是不确定的。你可以察觉两个铀原子，一个在500年后衰变，另一个在1000年后衰变，但它们在任何方面都是完全一样的，从任何价值上说，宇宙都不是确定论的。
尽管如此，其他对量子力学的流行阐释，含有对“多全球”的诠释，都在设法使经典的确定论时间概念持续存在。这些理论把量子事情描绘成一种既定的现实。例如，多全球理论觉得，每一次量子测量都将全球分割成多个分支，从而做到每一种或许的结局，而这些结局都是预先设定好的。
吉辛的想法与此相反。他期盼为经典物理学和量子物理学提供一种共同的、非确定论的语言，而不是试图把量子力学变成一种确定论理论。可是，这种方法在很大程度上偏离了规范量子力学。
在量子力学中，信息可以被打乱，但不能被创造或摧毁。但是，假如像吉辛提出的那样，定义宇宙状态的数字随时间增长，那么新的信息也会不断呈现。吉辛强调，他“绝对”抵制信息保存在自然界中的观点，这首要是由于“在测量过程中显著形成了新的信息”。他补充道：“我的意思是，我们需要用另一种方式来看待这些整体想法。”
这种对信息的新思考方式或许可以解决黑洞信息悖论。该悖论提出了一个难题：被黑洞吞噬的信息会发生什么？广义相对论觉得信息将被摧毁，而量子理论觉得信息被保存了下来。假如以直觉数学来表述的量子力学允许信息经由量子测量被创造出来，那么信息被摧毁也是可以允许的。
伦敦大学学院的理论物理学家奥本海姆（Jonathan Oppenheim）觉得，信息的确在黑洞中丢失了。他不得知布劳威尔的直觉主义能否如吉辛所主张的那样，变成展示这一点的核心，但他强调，有理由觉得信息的创造和破坏或许与时间紧密有关，“随着时间的推移，信息被摧毁；它不会由于你在空间中移动而被摧毁”。构成爱因斯坦块宇宙的维度之间，存在很大的差别。
除了扶持创造性（也或许是破坏性的）时间的概念，针对我们意识中对时间的感受，直觉数学还提供了一种新颖的阐释。回想一下，在这个框架中，连续体是黏性的，不或许被一分为二。吉辛将这种黏性与我们的感受联系起来，即“如今”是有“厚度”的，这是一个实质性的时刻，而不是一个将过去与前方完全分开的零宽度点。在基于规范数学的规范物理学中，时间是一个连续的参数，可以取数轴上的任何值。但是，吉辛说：“假如连续体是用直觉数学来强调的，那么时间就不能被切成两半。”它很厚，“就像蜂蜜一样厚”。
到当下为止，这还只是一个类比。奥本海姆说，他“对‘如今很厚’这个概念感受很好。我不得知我们为什么会有这种感受。”
时间的前方
吉辛的想法引发了其他理论物理学家的一系列反应，他们也有各自的思想评测和有关时间的直觉。
有几位专家一致觉得，实数在物理上似乎并不真实，物理学家需要一种不依赖于实数的新形式体系。普林斯顿高级探究所探究黑洞和量子引力的理论物理学家阿尔姆海里（Ahmed Almheiri）觉得，量子力学“排除了连续统的存在”。量子数学把能量和其他量像打包一样绑定起来，更像是整数，而不是连续统。无限数字在黑洞中被截断。“黑洞似乎有连续无限数量的内部状态，但这些数字被切断了，”他说，由于量子引力效应，“实数不或许存在，由于你不能把它们藏在黑洞里。否则它们就能隐藏无穷无尽的信息。”
英国布里斯托尔大学的物理学家波普斯库（Sandu Popescu）常常与吉辛的观点一致，他赞同后者的非确定论全球观，但也强调自己并不确信直觉数学是必要的。波普斯库抵制将实数视为信息的观点。
阿卡尼-哈米德觉得吉辛对直觉数学的使用很有趣，并且或许在黑洞和大爆炸等引力和量子力学呈现显著冲突的难题上发挥作用。“这些难题，比如数字的有限性、事物的根本性存在、是否存在无限多的数字，抑或数字的创造等等，”他说，“或许最后会与我们应该如何看待宇宙学联系起来，尤其是在不得知如何使用量子力学的状况下。”他也目睹了对一种新的数学语言的需求，这种语言可以把物理学家从无限的精确性中“解放”出来，让他们“谈论那些总是有点含混的东西”。
吉辛的想法引发了很多人的共鸣，但依然需要充实。接下来，他期盼找到一种方法，用有限、含混的直觉数学重新兴办相对论和量子力学，就像他对经典力学所做的那样，这或许会让两个理论更为接近。针对如何处理量子力学，他已然有了一些想法。
“无限”出如今量子力学中的方式之一是“尾巴难题”。当你使用定位一个量子操控系统，比如月球上的一个电子时，“假如你使用规范数学，你就必须承认月球上的电子有相当小的概率也会在地球上被探测到，”吉辛说道。强调粒子位置的数学函数会留下“尾巴”，并且“以指数方式变小，但不为零”。
但吉辛想得知，“我们应该把什么样的现实归因于一个超级小的数字？大多数评测主义者会说，‘让它归零，停止质疑’。但更为偏向理论的人或许会说，‘好吧，但从数学角度来看，的确存在一些东西’。”
“如今就要看是使用哪种数学了，”吉辛持续说道，“经典数学中，的确还存在某些东西。而在直觉数学中，什么都没有。”电子在月球上，它在地球上呈现的或许性为零。
自吉辛的论文发表以来，前方已然变得更为不确定。对他来说，如今的每一天都是星期天，由于疫情正笼罩着全球。由于不能前往评测室，也仅能在显示屏上目睹孙女，所以他接下来的打算便是，端着茶杯，对着花园景观持续思考时间的难题。