熱黑洞與時間之箭

賀偉偉

為什么我們能夠經歷生命中幾乎每一個時刻？這是現代物理學中一個最大的未解之謎。物理學家利用公式來描述這個世界，這些公式告訴我們事物如何隨著時間的流逝而變化，但并未解釋時間是什么。我們可以將事物如何因位置不同而改變的過程用公式表現出來，或者把意大利燉飯的口味如何隨著“黃油量的增減”而變化的過程用公式記錄下來，時間卻無法用公式表現。時間似乎在流動，但黃油的量或空間位置不流動。這種差異從何而來？

對于這個問題，我們還可以從另一角度提出：“現在”是什么？我們說只有現在的事物才是存在的，過去的不再存在，未來的尚未存在。但是在物理學上，沒有任何事物與“現在”這個概念相對應。讓我們比較一下“現在”和“這里”這兩個概念，后者指定了說話者的位置。對身處不同位置的兩個人來講，“這里”指兩個不同的地方。因此，“這里”的含義取決于說話者的位置。“這里”這個概念用術語來說叫作“指示詞”。“現在”是指使用該詞時所指的那一刻，因此也屬于指示詞。

沒有人會說“這里”的事物存在，而不在“這里”的事物不存在。那么為什么我們會說“現在”的事物存在，而不處于“現在”的事物就不存在呢？“現在”究竟是客觀的、流動性的、讓事物延續存在的概念，還是和“這里”這個觀念一樣，只是存在于我們大腦中的主觀反應？

這似乎是個深奧的問題，但是在現代物理學中，已經成為一個亟待解決的問題。愛因斯坦的狹義相對論表明，“現在”這一概念也是主觀的。物理學家已得出結論，“現在”對整個宇宙普遍適用的觀點是說不通的。愛因斯坦在其摯友米歇爾·貝索去世后，給米歇爾的妹妹寫了一封感人的信，信中說：“他只是比我稍早一點離開了這個奇怪的世界，這并沒有什么，對我們這些篤信物理學的人來說，過去、現在與未來沒有什么區別，只不過是一種持久并固有的幻覺。”

不管是不是幻覺，我們該如何解釋時間在流逝這一事實呢？時間流逝對所有人來說都顯而易見。我們的思想和話語存在于時間里，我們的語言結構需要這個有著“現在”、“過去”和“未來”的時間。德國哲學家馬丁·海德格爾強調我們“生活在時間里”，但我們有沒有可能不用“時間流逝”來描述世界？

一些哲學家，包括海德格爾的忠實追隨者，都認為物理學無法描述現實生活中最基本的方面，他們將物理學看成是一種誤導性的知識而加以排斥。但是，我們已經意識到有時直覺并不準確。如果我們一直堅信這種不準確的直覺，就會仍舊認為地球是平的，太陽繞著地球轉。我們的直覺源于有限的經驗。當我們拋開直覺再深入一些，就會發現地球并非我們看到的那樣：地球是圓的，在我們腳下地球的另一面，人們腳朝上，頭朝下。

盡管這看起來很生動，但我們體驗的時間流逝并不一定反映基本的現實世界。可是如果不是，那么時間又來自何處？

我認為，從某種層面上看，答案就在于時間和熱量之間的密切聯系。只有熱量流動時，我們才能發覺過去和未來的差別。熱量與概率（即利用統計學計算出的大量粒子的運動）相關，而概率又與這樣一個事實相關，即我們與世界其他地方的相互作用不能涵蓋現實中的每個細節。時間流逝的觀念源于物理學，但它的出現并不是為了精確描述事物，而是出現在統計學和熱力學的情境中。這可能是解開時間之謎的鑰匙。客觀來講，“現在”和“這里”一樣，并不是一種客觀存在，而是主觀存在，但是世界內部微觀的相互作用促使一個系統中（如我們自己）發生某些臨時現象，這一系統只是以無數變量為媒介進行交互。

我們的記憶和意識都是建立在這些統計學計算出來的現象之上的。對某種假想的超智慧生命而言，時間不會流逝。正如愛因斯坦描繪的那樣，整個宇宙是一幢由過去、現在和未來組成的大樓。但由于我們的意識存在局限性，我們只能對世界有著模糊的認識，認為自己活在時間里，因此也就產生了時間流逝的觀念。

這樣的解釋還不夠清楚，還有很多問題有待深入理解。“時間”處在各種復雜難題的中心，這些難題是由重力、量子力學和熱力學交錯在一起引起的。目前還沒有一種理論能夠整合我們了解這個世界所需的這三方面的基本知識。

值得欣慰的是，霍金的計算結果為解決這些問題提供了一絲線索，也有助于我們找出關于時間本質的更深層次的答案。霍金運用量子力學理論證明了黑洞是有溫度的：它們總是熱的，就像火爐一樣散發熱量。沒有人觀測到過這種熱量，因為它極其微弱，但是霍金的計算結果令人信服，而且該結果已被通過多種方法證實，人們已廣泛接受黑洞有熱量這一事實。

黑洞熱量是一種作用于黑洞的量子效應，而黑洞本質上是有重力的。使黑洞表面發熱的正是太空中的基本粒子——量子。這一現象涉及問題的三個方面：量子力學、廣義相對論和熱力學。在（表面上的）時間流逝背后，這一切與統計計算過程緊密相關。物理學家還要走很長的路才能理解這一點，但是最近取得的一些科研進展，如探測到黑洞碰撞時發出的引力波，使物理學家離答案更近了一步。

黑洞的熱量似乎就是物理學上的羅塞塔石碑（譯者注：羅塞塔石碑為解釋古埃及楔形文字提供了可靠線索），這塊石碑上刻有三種“語言”——量子、重力和熱力學，正等待人們去破譯，進而揭示時間的本質。