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时光无界:与布莱恩·考克斯的深刻对谈

时光无界:与布莱恩·考克斯的深刻对谈
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著名物理学家兼电视主持人布莱恩·考克斯教授(BRIAN COX)带领我们踏上一段激动人心的旅程,了解时间与空间的本质所在。了解更多。

粒子物理学家布莱恩·考克斯

布莱恩·考克斯(Brian Cox)是一位粒子物理学家,并于英国曼彻斯特大学(University of Manchester)担任教授,他潜心研究的课题包括时间及其起源,并叩问亘古宇宙之哲学难题。此外,他追根究底地阐述了我们无法获知腕表测量对象的原因,以及解释了为何对于表盘指针的仔细观察,能够拨开萦绕着空间与时间的重重疑云。

 

敬请收听最新一期播客节目,与布莱恩·考克斯共同探索时间与永恒之美。

宇宙之美

机械腕表为何令您着迷?

机械装置记录时间流逝的方式与手机大相径庭。
我们可以看到腕表设有秒针,但秒针代表着什么呢?假如我们就此询问爱因斯坦,他会说秒针测量的是我们在时空中走过的距离。又或者咨询热力学专家,他们将认为这与熵有关,而我们的腕表归根结底是测量宇宙的终极命运,即大解体。

 

秒针如同一把钥匙,能够开启通往深刻议题与无穷奥秘的大门。钟表因此在我眼中蒙上奇妙色彩。因为就本质而言,我们对于其实际所作所为一无所知。当我们看向腕表时,总会有无尽的神秘感扑面而来,这种神秘感与空间、时间以及宇宙结构息息相关。

您希望沙夫豪森IWC万国表接下来推出哪项复杂功能?

假设腕表是一项测量设备,那么它是否可以测量自己的年龄呢?试想我们启动一枚计时码表,却永不按下暂停键。即使所有腕表精准运行,其测量出的年龄却依然各不相同。在一些细枝末节之处,每块腕表的如实记录理所当然得有所差异。它们于出厂之日别无二致,却将于日后获得迥然相异的年龄。因为它们在其主人腕间沿袭截然不同的时空轨迹,在各个事件之间选择截然不同的前进路径。而宇宙的美妙之处便在于此。

布莱恩·考克斯佩戴IWC葡萄牙系列万年历腕表,搭配地平线蓝表盘(型号:IW503703)

— 布莱恩·考克斯佩戴IWC葡萄牙系列万年历腕表,搭配地平线蓝表盘(型号:IW503703)

如果将一块腕表扔进黑洞,它便会停止走时,永远定格于方寸之间。在黑洞周围的‘事件视界’(event horizon)之上,时间停滞不前。然而,只有从外向内观望时才会如此。如果掉入黑洞时佩戴着腕表,时间便会继续以每秒一秒的速度流逝。
布莱恩·考克斯接受沙夫豪森IWC万国表采访

— 布莱恩·考克斯接受沙夫豪森IWC万国表采访

“没有昨天的那一天”

何为时间?

有些问题看似简单,却着实难以回答。简而言之,这是一个无解的问题。17世纪时,艾萨克·牛顿(Isaac Newton)爵士假定天空中有一座大钟,每个人的时间都以相同的速度流逝。1905年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)发表了狭义相对论,向我们表明事实并非如此。无论我们是相对于他人处于加速状态,还是在事件之间采取了不同路线,时间的流逝速度皆因地和因人而异。

时间会停止吗?

如果将一块腕表扔进黑洞,它便会停止走时,永远定格于方寸之间。在黑洞周围的“事件视界”(event horizon)之上,时间停滞不前。然而,只有从外向内观望时才会如此。如果掉入黑洞时佩戴着腕表,时间便会继续以每秒一秒的速度流逝。我们将立刻意识到时间的复杂程度超出我们的预想。这是现代物理学的一个研究领域。爱因斯坦曾言道:“腕表的作用在于衡量时间。”

时间从何时开始?

物理学上有一个重要概念叫做“热力学时间箭头”。这一概念表明,过去之所以有别于现在,可以归结于一次异乎寻常的历史事件,即标志着宇宙起源的宇宙大爆炸。据此,138亿年前的宇宙大爆炸被视为时间的开端。


然而,我们无法确定时间便当真始于此刻。我们甚至不知道宇宙是否存在开端。正如著名天体物理学家兼神父乔治·勒梅特(Georges Lemaître)所说,这意味着宇宙创生于“没有昨天的那一天”。

让我们从大处着眼:何为永恒?

目前的宇宙基线模型表明,宇宙不仅正在膨胀,更是在不断加速膨胀。如果宇宙继续膨胀,那么届时万事万物之间将相距甚远,并且所有事物的温度将趋于一致。就理论而言,当宇宙从高度有序转变为混乱无序的状态时,熵值会增加。然而,我们所明确的是,时钟是一种热力学装置。制造时钟需要温差。在遥远的未来,我们的宇宙中将不再存在温差。我想,那时,时间也就不复存在了。

如果我们佩戴着腕表,便可以看到它以每秒一秒的速度运行。这是我们参照系中的时间。也许有些人会远走他乡,另谋出路。当我们再次相遇并比对腕表时,会发现我们年岁增长的速度已经各不相同。

交响乐计时

一分钟是否总是一分钟,一秒钟是否总是一秒钟?

演奏马勒创作的《第九交响曲》需要一定的时间,可以使用相对于管弦乐队静止不动的腕表测量得出。如果佩戴着这枚腕表离开音乐厅,四处走走,然后折返,则其在演出开始和结束之间测得的时间会稍短一些。

 

这并不意味着腕表走时不准。恰恰相反。驻守和离开的腕表均据实、准确地记录了演出时长,只是时间在其身上留下了不同痕迹。在相对论和现实中,时间是独属于个人的。这些个体差异显然微不足道。然而如果腕表的运行速度接近光速,则将出现天壤之别。

我们加速与时间流逝的速度成反比。

在日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)中,我们使质子以99999999%的光速,即每秒11000圈的速度,绕周长为27公里的环形粒子加速器飞行。然而,对于质子而言,时间流逝的速度要慢7000倍。我们的一秒钟相当于质子的千分之七秒。

 

不过从粒子的角度来看,腕表仍然以每秒一秒的速度运行。看似自相矛盾,其实不然。因为切换至粒子的视角,环形加速器的周长从27公里缩短至4米。最终结果并无二致。时空互换,两者混为一谈。这是相对论的另一种思维方式。

那么,我在腕表上读到的时间仅仅对我自己有效吗?

爱因斯坦在其理论中引入了“本征时间”(proper time)这一概念。如果我们佩戴着腕表,便可以看到它以每秒一秒的速度运行。这是我们参照系中的时间。也许有些人会远走他乡,另谋出路。当我们再次相遇并比对腕表时,会发现我们年岁增长的速度已经各不相同。然而在对方的参照系中,其所看到的腕表始终以每秒一秒的速度运行。

IWC葡萄牙系列永恒历腕表,月相精准度达4500万年(型号:IW501701)
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葡萄牙系列长效万年历腕表

IW505701

葡萄牙系列永恒历腕表

铂金 表壳, 自动上链机芯. 黑色Santoni鳄鱼皮表带, 表带宽 22.0 毫米.

瑞士制造

— IWC葡萄牙系列永恒历腕表,月相精准度达4500万年(型号:IW505701)

IWC万国表52640型自制机芯配备400年齿轮

— IWC万国表52640型自制机芯配备以400年为周期转动一圈的齿轮

“世界线”(WORLD LINE)背后的含义

为什么时间流逝的速度因人而异?

爱因斯坦提出的相对论就事论事。打个响指、点燃蜡烛、我们坐在此处互相交谈,这些都是不同的事件。我们彼此寒暄,于明年再次相见之时,让我们来看看谁的年纪增长最多。对此我的答复是:这取决于我们每个人采取的时空路径。

 

我们在不同事件之间采取的路径为我们确定了路径长度。而这一长度正是我们腕表所测量的时间。就此而言,腕表不是计时工具,而是测距装置。这类似于询问沙夫豪森到伦敦的距离有多远。答案是取决于出行方式。

您能举例说明什么是时空吗?

多年以来,我对时空的理解是一幅地图,并照此传授给学生。请将时空视为所有事件,即宇宙空间和时间中发生的所有事情的集合。现在想象一下在地图上标记地点。沿着地图上的路线,从一起事件通往另一起事件。这便是所谓的“世界线”。当我们在地图上漫步时,我们的腕表会测量出世界线的长度。

如果可以将时间理解为一段距离,那么我们一生要走多远呢?

根据爱因斯坦的理论,我们在时空中走过的距离即是我们的年龄。这一答案简单明了。如果一个人活了77年6天3秒,那么这就是他走过的距离,这是多么美好的一件事情。因此确切地说,我们的年龄就是我们在时空中走过的距离。

如果我们从字面意义上去理解爱因斯坦的理论,那么所有时空都已经标注在地图上了。不仅是过去,还有未来。

时空感

世界线是从一开始便规划好的吗?还是随着我们的步伐而逐步形成?

如果我们从字面意义上去理解爱因斯坦的理论,那么所有时空都已经标注在地图上了。不仅是过去,还有未来。这便是“块状宇宙”(block universe)理论,将时空理解为永恒不变的四维块状空间,而非随着时间流逝而不断变化的三维空间。不过,一些物理学家认为,未来是以某种方式建立起来的。此处涉及的是量子引力理论。引力的本质是时空弯曲,与空间和时间密切相关。然而,如今似乎人人都认为,或许应该存在一些更深层次的理论。

那是什么样的理论呢?

我们开始怀疑,空间和时间是从其他不具有空间和时间的物质中产生的。人类意识便是一个恰当类比。我们可以将人类想象成遵守自然法则的原子集合体,由此产生了一些与众不同的新事物。

 

我们可以通过观察腕表来发现它的魅力,而“魅力”又是什么呢?无论如何,“魅力”都源于不具有“魅力”的事物。同样,我们开始相信存在更深层次的物理图景,可能是弦理论或物体相互作用的某种量子理论。不知何故,时空感随之而来。

谢谢布莱恩,引领我们探索物理学家的思想境界!

布莱恩·考克斯和沙夫豪森IWC万国表首席执行官克里斯托弗·格莱恩格-海尔(Chris Grainger-Herr)在播客录制期间

— 布莱恩·考克斯和沙夫豪森IWC万国表首席执行官克里斯托弗·格莱恩格-海尔(Chris Grainger-Herr)在播客录制期间

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