對於大多數人來說，時間的最大謎團似乎是永遠不夠用。 如果這能帶來些許安慰，物理學家也面臨著同樣的問題。 物理定律包含一個時間變數，但它未能捕捉到我們生活中的時間的關鍵方面——特別是過去和未來的區別。 隨著研究人員試圖制定更基本的定律，小寫的 t 完全消失了。 束手無策之下，許多物理學家向一個不熟悉的來源尋求幫助：哲學家。
來自哲學家？ 對於大多數物理學家來說，這聽起來相當古怪。 有些人最接近哲學的時候，是在深夜喝著黑啤酒的談話中。 即使是那些讀過嚴肅哲學的人，通常也懷疑它的用處； 讀了十幾頁康德之後，哲學開始看起來像是對不可確定的事物進行不可理解的追求。 告訴你實話，我認為我的大多數同事都害怕與哲學家交談——就像被抓到從色情電影院出來一樣，賓夕法尼亞大學的物理學家馬克斯·泰格馬克說。
但並非總是如此。 哲學家在過去的科學革命中發揮了關鍵作用，包括 20 世紀早期量子力學和相對論的發展。 今天，一場新的革命正在進行，物理學家們正努力將這兩種理論合併成量子引力理論——一種將不得不調和兩種截然不同的時空概念的理論。 法國艾克斯-馬賽大學的卡洛·羅韋利是這項工作的領導者，他說：“哲學家對量子引力中對時空的新理解的貢獻將非常重要。”
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
兩個例子說明了物理學家和哲學家如何彙集他們的資源。 第一個例子涉及凍結時間的問題，也簡稱為時間問題。 當理論家試圖使用一種稱為正則量子化的程式將阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論轉化為量子理論時，就會出現這個問題。 該程式在應用於電磁理論時效果顯著，但在相對論的情況下，它產生了一個方程——惠勒-德維特方程——沒有時間變數。 從字面上看，該方程表明宇宙應該凍結在時間中，永不變化。
不要再浪費時間
這種不幸的結果可能反映了程式本身存在缺陷，但一些物理學家和哲學家認為，它有更深層次的根源，一直追溯到相對論的奠基原則之一：廣義協變性，它認為物理定律對於所有觀察者都是相同的。 物理學家從幾何角度考慮這個原則。 兩位觀察者會感知到時空具有兩種不同的形狀，這對應於他們對誰在移動以及什麼力在起作用的看法。 每個形狀都是另一個形狀的平滑變形版本，就像咖啡杯是重新塑形的甜甜圈一樣。 廣義協變性表示這種差異可能沒有意義。 因此，任何兩種這樣的形狀在物理上都是等價的。
在 20 世紀 80 年代後期，匹茲堡大學的哲學家約翰·厄爾曼和約翰·D·諾頓提出，廣義協變性對一個古老的形而上學問題具有驚人的意義：空間和時間是否獨立於恆星、星系及其它內容而存在（一種稱為實體主義的立場），還是它們僅僅是描述物理物體之間關係的人為手段（關係主義）？ 正如諾頓所寫：“它們就像藝術家繪畫的畫布嗎？無論藝術家是否在上面繪畫，它們都存在？還是它們類似於親子關係？在有父母和孩子之前，沒有親子關係。”
他和厄爾曼重新審視了愛因斯坦長期以來被忽視的思想實驗。 考慮一塊空的時空區域。 在這個洞之外，物質的分佈固定了時空的幾何形狀，根據相對論方程。 然而，在內部，廣義協變性讓時空呈現各種形狀。 在某種意義上，時空的表現就像一個帆布帳篷。 代表物質的帳篷杆迫使帆布呈現某種形狀。 但是，如果您遺漏了一根杆子，相當於創造了一個洞，那麼帳篷的一部分可能會下垂、向外凸起或在風中不可預測地波動。
撇開細微之處不談，這個思想實驗提出了一個兩難困境。 如果連續統本身就是一個事物（正如實體主義所認為的那樣），那麼廣義相對論必須是不確定的——也就是說，它對世界的描述必須包含隨機性元素。 為了使該理論具有確定性，時空必須僅僅是一種虛構（正如關係主義所認為的那樣）。 乍一看，這似乎是關係主義的勝利。 這有助於其他理論，例如電磁學，是基於類似於關係主義的對稱性。
但關係主義也有其自身的問題。 它是凍結時間問題的最終根源：空間可能會隨著時間推移而變形，但如果它的許多形狀都是等價的，那麼它就永遠不會真正改變。 此外，關係主義與量子力學的實體主義基礎相沖突。 如果時空沒有固定的意義，你如何能在特定的地點和時刻進行觀察，正如量子力學似乎要求的那樣？
對這個兩難困境的不同解決方案導致了非常不同的量子引力理論。 一些物理學家，例如羅韋利和朱利安·巴伯，正在嘗試一種關係主義方法； 他們認為時間不存在，並一直在尋找將變化解釋為幻覺的方法。 其他人，包括弦理論家，則傾向於實體主義。
加州大學聖地亞哥分校的哲學家克雷格·卡倫德說：“這是一個很好的物理學哲學價值的例子。 如果物理學家認為正則量子引力中的時間問題僅僅是一個量子問題，那麼他們就會損害他們對這個問題的理解——因為它已經伴隨我們很久了，而且更普遍。”
熵驅動
哲學家貢獻的第二個例子涉及時間之箭——過去和未來的不對稱性。 許多人認為時間之箭可以用熱力學第二定律來解釋，該定律指出熵，粗略地定義為系統內的無序量，隨時間增加。 然而，沒有人能真正解釋第二定律。
19 世紀奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼提出的主要解釋是機率性的。 基本思想是，系統無序的方式比有序的方式更多。 如果系統現在相當有序，那麼很可能在不久的將來會更加無序。 然而，這種推理在時間上是對稱的。 系統可能在不久前也更加無序。 正如玻爾茲曼所認識到的，確保熵在未來增加的唯一方法是，如果它在過去以低值開始。 因此，第二定律與其說是一個基本真理，不如說是一個歷史偶然事件，可能與宇宙大爆炸早期的事件有關。
關於時間之箭的其他理論也同樣不完整。 悉尼大學的哲學家休·普賴斯認為，幾乎所有試圖解釋時間不對稱性的嘗試都存在迴圈論證，例如對時間不對稱性的某種隱藏的假設。 他的工作是哲學家如何充當亞利桑那大學哲學家理查德·希利所說的“實踐物理學家的知識分子的良知”的一個例子。 他們接受過邏輯嚴謹性的專門訓練，是追蹤細微偏見的專家。
如果我們總是聽從我們的良知，生活將會很無聊，而物理學家通常在忽視哲學家時做得最好。 但在與我們自身邏輯跳躍的永恆戰鬥中，良知有時是我們所能依靠的全部。