前言

什麼是時間?你低下頭看了看手錶上移動的指針,掏出手機看了看螢幕上顯示的幾點幾分,這是我們認知中的時間,在你的每個呼吸,每個動作,每個表情之間流逝。但如果有人跟你說,其實時間並不是我們所想像的那樣,甚至告訴你時間並不存在呢?

亞里斯多德的時間

現在人所認知的時間,其實是由那位看到蘋果從樹上掉下來的偉人 - 牛頓定義出來的,在牛頓之前,時間就是從太陽升起到隔天太陽再次升起,就是稻子從播種到收割,生活在古早文明時代的男孩若要跟女孩約定見面的時間,他不會說確切的幾點幾分,男孩會說,在夕陽落下之前。

古希臘哲學家,同時也是物理學家的亞里斯多德說過:時間是運動被計量的數 (number of the measure of motion)。這句話聽起來很抽象,用白話文來說,意思就是,時間是對事物變化的度量衡。

牛頓的時間

隨著歷史的演進,自從某一天牛頓被樹上的蘋果砸到頭之後,時間就不再只是用來衡量事物的變化,而是一種絕對的、無論如何都會流逝的時間,也就是現代人所熟悉的時間的概念,每一分、每一秒,都滴滴答答的走。

牛頓的三條運動定律,分別闡述了慣性、加速度以及作用力和反作用力,舉大家最熟悉的 這條公式當作例子, 的單位是 ,也就是公尺每平方秒,而這個秒的平方究竟是怎麼出現的呢?如果我們從加速度最原始的意義來思考,加速度就是在衡量單位時間內速度增加了多少,而速度本身的單位是 ,所以我們將增加的速度除以單位時間,就會得到時間的平方。

你有沒有注意到,上面不段重複出現的兩個字,就是「時間」?而這個時間有一個清楚的單位( ),這就是牛頓所定義的絕對時間。

牛頓所定義的絕對時間,隨著三條運動定律,出現在每個學生的課本裡的方程式中,不論你是要計算小明把蘋果從學校頂樓丟下去的加速度,還是要算地震波幾秒之後會抵達你的所在地,都會用到牛頓的絕對時間,牛頓力學和萬有引力為現代科學奠定了基礎,直到現在,整個世界依然遵循著這些法則在運轉著。

古巨基 - 忘了時間的鐘

愛因斯坦的時間

狹義相對論

讀到這裡,你可能會疑惑,有了牛頓力學以及絕對時間的觀念,小明算得出蘋果的加速度,小華可以求出地震波到達的時間,這就是物理學的大結局了,我們還需要愛因斯坦幹什麼?

原因很簡單,小明解得出加速度,但是有個方程式困擾著智商180的愛因斯坦,這個方程式就是鼎鼎大名的馬克士威方程組(Maxwell’s equations),而讓愛因斯坦解不出來方程式的原因就是絕對時間這個概念。

原來,要解出方程式,就不行用絕對時間的概念來解,必須打破時間的統一性才能辦到,於是狹義相對論就產生了,狹義相對論告訴我們:對於兩個用不同速度在移動的人來說,他們各自觀察到的時間是不一樣的,而這兩個相對的時間遵守以下定律:

其中 為靜止觀察者的時間, 為正在運動的觀察者所觀察到的時間, 為正在運動的人所運動的速度, 為光速。

因為目前已知最快的速度就是光速,所以上面公式的分母不可能會大於一,也就代表 會比 要來的大,也就是說在運動速度比較慢的人身上,時間()流逝的比較快,換句話說,運動速度越快的人,時間在他身上流逝的速度就越慢,如果說有艘太空船用接近光速離開地球,理論上來說,太空船上的一年就會是地球的永恆。

星際過客

速度夠快,可以到達任何地方,飛一年等於在地球上看的無限年,雙生子悖論

廣義相對論

根據狹義相對論,現在這個世界上已經不存在一個統一個時間,每個不同物體,又不同的速度在移動著,他們都具有不同的時間,那我們應該如何在這個有很多個相異時間的世界裡,去描述「時空」這個概念呢?

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我們可以把這個宇宙想像成一塊平滑的大床單,床單代表著時間,而地球和太陽就像是大石頭一樣,使得床單下沉,產生了兩個大凹洞,然後我們可以把我們自己(或是太空船)想像成小石頭,若小石頭在床單的平滑處,滾動的速度會是ㄧ致的,代表著時間均勻流逝,若小石頭靠近凹洞,就會向凹洞滾下去,最後停在洞底不動,代表時間流逝的速度變慢,若將這個想法延伸到極限,也就是質量無限大的黑洞,黑洞就像是一顆非常大的石頭,床單被他壓出非常深的洞穴,因此時間在黑洞中可以說是幾乎停止流動。

自從愛因斯坦發明相對論之後,物理學就不再描述事物「在時間中」如何演化,而是描述事物在它們自己的時間中如何演化,以及「時間」相對於彼此怎樣演化,就像是在描述小石頭如何在床單上滾動,以及大石頭如何把床單壓的凹陷一樣。

其中 為相對質量, 為靜止質量, 為運動者所運動的速度,為光速。當物體運動的越快,相對質量就會越大。

地球質量很大,等價於速度很快,等價於時間流逝慢。

圈量子理論 (Loop Quantum Gravity)

圈量子引力試圖把廣義相對論和量子力學結合起來

熱力學第二定律

Delta S 永遠大於或等於零,我們把它稱爲“熱力學第二定律”(熱力學第一定律是能量守恆定律)。其核心在於熱量只能從高溫物體傳到低溫物體,而非反過來。

熵的增加只不過是普遍又常見的無序的自然增長。

如此看來,只有當我把目光聚焦於牌的特定方面時(在這個例子中是顏色),“某些排列比另一些更特殊”的概念纔有意義(比如二十六張紅色的牌,然後是二十六張黑色的牌)。如果我們從各個方面對牌進行區分,那所有排列就都是等價的:沒有哪個比其他的更特殊。只有當我們以一種模糊與近似的方式看待宇宙的時候,“特殊性”的概念纔會出現。

如果我去觀測事物的微觀狀態,那麼過去與未來的區別就會消失。

熵僅僅是我們模糊的視野無法識別的微觀狀態的數量。

對放在一杯熱茶裏的涼茶匙而言,它會出現的現象並不取決於我的視野是否模糊。茶匙和其中分子會出現的情況,很明顯與我怎樣觀察它無關。它就這樣自然發生了。要點在於,對熱量、溫度、熱量從茶到茶匙的流動的描述,是對所發生事情的一種模糊觀察,而且只有在這一模糊的觀察中,過去與未來的顯著差別纔會呈現

在地球附近,我們有着豐富的低熵源——太陽。太陽給我們送來炙熱的光子,然後地球向黑暗的天空輻射熱量,發射冷的光子。輸入的能量與輸出的能量大致相等,因此,在交換過程中,我們並沒有得到能量(在交換過程中得到能量對我們而言是災難性的,將會導致全球變暖)。但對於每個到來的熱光子,地球會發射十個冷光子,因爲來自太陽的一個熱光子與地球發射的十個冷光子具有相同的能量。一個熱光子比十個冷光子具有的熵更少,因爲一個(熱)光子狀態的數量比十個(冷)光子狀態的數量要少。因而,太陽對我們而言,是個豐富且持續不斷的低熵源。我們擁有充足的低熵可以使用,能夠讓動植物成長,讓我們建造汽車與城市,以及思考和寫書。

太陽的低熵來自何處呢?原來,太陽誕生於一個熵更低的狀態,形成太陽系的原始星雲甚至有着更低的熵,如此,一直向過去追溯,直到宇宙最初極低的熵。 正是這個熵的增加驅動了宇宙的偉大故事。

小結

時間誕生於我們與世界的互動之中,所以也可以說,我們創造了時間,我們就是時間。佛曰:生即是苦,背後的寓意是:我們就是時間本身,我們存在於時間之中,我們永遠處於當下,但我們與這個世界的互動構成了過去,而透過我們的視角我們望向過去,就是這個過程才產生了時間,時間是主觀的而非客觀的。而一切我們珍視的都必將消逝,因此生即是苦。