時間是真實的嗎?——時間的物理學和形上學(下)|莫貴龍

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作者簡介:香港大學哲學碩士畢業,現為教師,正攻讀中文大學哲學文學碩士。興趣以科學和哲學為主。

在本文的上半部份,我們讀過一些哲學家質疑時間之真實性的理由,以及相關的,近年重新流行之現代論(presentism)時間觀。現在我們轉往科學的角度,如何否定以上之觀點。

2.    「時間是真實的」

2.1.    現在論的挑戰者:相對論

 

現在論面對的最大難關,還是物理中的相對論。

 

在相對論中,時間和空間相關,是時空(spacetime)的一部份,可用閔可夫斯基時空圖(Minkowski spacetime diagram)表達。【為簡單解釋,本文之圖中假設空間只有一維,但可擴展至真實的三維。】

 

現在論說,所有東西都存在於現在,就是說所有真實在發生的事件都是同時的。然而,在相對論中,由於光速絕對,觀察者的速率會改變其參照座標系(reference frame),而兩件事是否同時發生,是相對於觀察者的。【本人在網誌中寫了一個簡單的說明為何如此【註3】】見圖二:想像Y以一半光速離開X ,對於X來説,C、D、E三個事件是同一時間發生的,但對Y來說,E先於D而D先於C(見x’軸和C、D、E的關係)。於是乎過去、現在和將來都不是絕對的,而是相對於觀察者。現在論說宇宙只有一個時刻,似乎不可能解釋得到這個情況。

圖二、相對論中同時性不是絕對的。ct和ct’為時間軸,x和x’為空間軸。黑色是X的座標軸,紅色是Y的座標軸。

相對論有堅實的經驗證據,所以現在論在現代物理看來必定是錯的;同時性相對,意味著過去、現在和將來的事物都同樣地存在,這種存在也是「無時間性的」。這種對時間的解讀被稱為「永恒論」(eternalism)。提出相對論的愛因斯坦似乎也抱持類似觀點,他在友人貝索(Michele Besso)去世之後,在寫給其家人的信中說到:

 

「現在他比我稍早一點離開這奇怪的世界。那沒有任何意義。像我們這些相信物理學的人知道,過去,現在和將來間之區別,只是一種頑固不變的幻覺。」

("Now he has departed from this strange world a little ahead of me. That means nothing. People like us, who believe in physics, know that the distinction between past, present and future is only a stubbornly persistent illusion.")

 

雖然如此,近年還是有少數哲學家和科學家,認為現在論不一定錯,並嘗試為之辯護。他們有些認為同時性相對的現象,不一定要用不同之參考系解釋,還可由「新洛倫茲詮釋」(neo-Lorentzian Interpretation) 解釋;另外一些索性放棄共存的傳遞性(transitivity of coexistence),說每一個觀察者都有自己的主觀現實。前者假設一個沒證據的絶對參照系,以及太多的輔助理論,後者則極度違反直覺,故不為大部份哲學家和科學家接受,在此不贅。【註1】

 

現在論說,所有東西都存在於現在,就是說所有真實在發生的事件都是同時的。

2.2.    科學怎樣解釋時間的現象

 

那麼,相對論的時空就是最終的答案嗎?

 

不得不承認,科學的時空和我們日常經驗的時間差別很大:時空中沒一個特殊的點,沒有一個「現在」;它也沒有解釋為何我們會在恒定之時空內,經歷時間之流逝。雖然有科學家認為,主觀經驗在科學理論中沒有地位,科學不須解釋它們;但作為人類,以上問題一天不解決,一天都會對我們縈繞不斷。以下我試從科學之角度,解釋日常時間的經驗。

 

(1)    「我們只能感知現在」

 

為何我們似乎只能直接感知空間內周圍的事物,卻非過去或未來之事物?仔細想想,我們會發現自己搞錯了整個感知的情形。

 

光速雖快,但仍是有限的,它由一點到另一點還是需時。當我看著我的手時,光從手反射到我的眼裡,這雖是極快的過程,但無疑現在我看見的,是我過去的手。其他訊息如聲音,都比光慢,所以我在每一刻感知到周圍的世界,都是過去的。這非表示我直接感知到過去,反是我們不能直接感知到現在周圍的環境;我能直接感知的,就只有時空中我身處這點上的東西。從這個角度看,時間和空間的分別其實沒那麼大。

 

 (2)    「時間不能被觀察,所以不是真的」

 

時間不能被感受,或如電磁波般被測量,以至有人認為它是人類構想出來的。然而十九世紀的波茲曼(Ludwig Boltzmann)也發現,熱能只是粒子運動之速率造成的,這不代表熱能不存在,因它可被量化,以及轉化為其他能量如動能。同樣,時間雖不能被直接測量,但也可以量化,於許多方程式之中作為一變量。

 

波茲曼(Ludwig Boltzmann),奧地利物理學家和哲學家

(3)    「時間會流動」

 

人們常說時間流動:未來的事物變成現在的,再變成過去的。然而物理的時空不會流動,當中的事件也不能在時空中移動;如圖三中所示,一個物體之移動,只是它在不同時間在空間有不同位置而已。那麼怎樣解釋「時間流動」?

 

圖三、物體不能在時空中移動,它只能在不同時間在空間中有不同位置

我們認為時間會流動,可看成我們認為事物隨時間之變化下,想像時間之相對運動,情況就像我們在前進的車上,看到周圍境物倒退一樣。霍金在其《時間簡史》(The Brief History of Time)就嘗試如此解釋:因我們只能記憶過去之事而非未來之事,所以時間看來就有一個由過去到未來之方向,他稱之為「心理上的時間箭向」(psychological arrow of time)。所以,在這個解釋下,時間之流動只是心理作用之結果。

 

(4)    時間有方向

 

剛才提到我們只能記得過去而非將來之事情,這一般被理解成過去的事造成現在的記憶;一事件只能是之後事件之因而非果,這樣看來,時間和空間不同之處在於,時間有內在之方向而空間沒有。那麼,科學是如何看時間之方向?

 

時間是許多物理定律之方程中的其中一個變量。許多物理定律都是「在時間上對稱」(time symmetric)的,即無論在時間上往前或往後(t的值變大或小),都不會破壞方程和定律本身。然而這也有許多例外,如熱力學第二定律中熵(entropy)的值隨時間不會下降(然而此非基本物理定律)。

 

經科學家多年之研究,現時發現所有的基本物理定律都有「CPT對稱性」。CPT的意思是電荷、宇稱和時間(Charge, Parity and Time),其中「宇稱」是指空間方向之正反;「CPT對稱性」意指此三者在一物理定律中同時轉換時的對稱性,即雖然物理定律於時間上未必對稱,在CPT上卻是對稱的(至少現在的觀察如此)。

 

20世紀物理學家費曼(Richard Feynman)認為CPT對稱意味著,一粒子的運動等同其反粒子(antiparticle)在時間中逆行(例如正電子是電子的反粒子)。【註2】 所以時間是否有內在之方向,以及為何它有方向,到目前為止還是一個謎。

 

3.    結語

 

奧古斯丁(Augustine)在其《自白書》(Confession)中說到:「時間是甚麼?如果沒有人問我,我知道;如我想向問問題的人解釋,我就不知道了。」。("What then is time? If no one asks me, I know: if I wish to explain it to one that asketh, I know not.") 和許多哲學難題一樣,時間這熟悉的東西也是來得「這麼近,那麼遠」。

 

奧古斯丁《自白書》(Confession)

時間是真實的,還是只是我們理解自然之方式?相對論似乎否定了現在論,並肯定時間的客觀存在。然而,物理的時間和我們日常理解的時間其實十分不同:物理的時空沒有「現在」也不會流動,時間和空間也是相對於觀察者的。時間是否有方向,以及為何如有方向,到目前也是個謎;我們與了解時間之間還是有一大段距離。

 

我們對時間之探索,指向了一種超越時間的存在。這種存在需與時間性的存在區分開來:在永恒論下,過去和未來的事物雖不於現在存在,但其還是在時空中以某方式存在。

 

時間既是宇宙和現實之根本,但又虛無飄渺,故它同是物理和哲學中形上學之課題,是兩個學科相交之處。物理學家透過觀察和數學,描述宇宙的規律和結構,而哲學家則擅於透過思辨,探尋現實之本質和結構,細察各理論之優劣;只要基於理性,追求現實之真相不應局限於身份和方法,如兩個學科能交流互補,我們對真實的認識和理解將有長足之進步。


 

參考

【註1】Wikipedia contributors, “Lorentz ether theory --- {Wikipedia}{,} The Free Encyclopedia.” 2018.

【註2】R. P.Feynman, “Space-Time Approach to Non-Relativistic Quantum Mechanics,” Rev. Mod. Phys., vol. 20, no. 2, pp. 367–387, 1948.

【註3】[進階物理] 狹義相對論的同時性”  https://adrianmkl.blogspot.com/2018/03/blog-post_18.html

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