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羅維利：在量子引力中，空間和時間怎麼了？|國際科學與哲學講座

啟示号
教育
3年前
433

主講人介紹：

卡爾羅·羅維利（Carlo Rovelli）是意大利著名理論物理學家，并且是圈量子引力理論（Loop Quantum Gravity）的奠基人。他的研究領域涉及量子引力、時間、宇宙學等，其中他最為著名的觀點之一是時間在基礎物理世界并不存在。羅維利目前任職于法國艾克斯-馬賽大學（Aix-Marseille University），并且在該校的理論物理中心成立了量子引力研究團隊。羅維利在2014年出版的著作 “Seven Brief Lessons on Physics”已被翻譯成41種語言，且銷售量在世界範圍内已過百萬。在他的衆多著作中，《時間的秩序》（“The Order of Time”）和《現實不似你所見》（“Reality Is Not What It Seems”）已被翻譯成中文。在2019年，他被美國的《外交政策》（“Foreign Policy”）雜志評為世界上最具影響力的100位思想家之一。

講座介紹：

厘清時間和空間的概念，這對于我們理解世界至關重要。從亞裡士多德到牛頓再到愛因斯坦，哲學家和物理學家一直緻力于探究時間和空間的本質。那麼，時間和空間的本質到底是什麼？時間是客觀存在的，還是一種錯覺？時間是否有方向？羅維利教授在講座中将從圈量子引力理論的視角出發，對這些關于時間的基礎問題給出最前沿的回答。

本次講座的内容針對的是物理學，但這些内容受到了哲學的啟發。主講人将（再一次）辨别我們賦予“空間”和“時間”的不同含義。同時讨論當我們考量引力的量子性質，即物理幾何的量子性質時，會對空間和時間這兩個概念産生什麼影響。主講人将說明圈量子引力為何并且如何對這些問題作出一個精确且明确的回答（圈量子引力是主講人主要研究的理論）。

講座時間：北京時間2021年10月13日19：30-21：30

主持人：郝劉祥（中國科學院哲學研究所）

評論人：

馬永革（北京師範大學）

施郁（複旦大學）

高山（山西大學）

王華嘉（卡弗裡理論科學研究所）

顔春玲（中國科學院哲學研究所）

本場主辦單位：中國科學院哲學研究所

語言：英語

提示：本系列講座為zoom在線講座。但限于參與人數限制，恕不公布zoom會議入口，由《返樸》于bilibili提供獨家網絡實時轉播服務。我們将在最後20分鐘的問答環節裡，由專人在《返樸》的B站直播間裡将大家的提問轉到zoom會議室。

講座參與方式：

關注bilibili賬号“返樸科普”，或掃下方二維碼可直接進入直播間。更多本系列講座安排請見文末。

系列講座總體介紹：

本系列講座聚焦于科學前沿中的基本哲學問題，以及與哲學緊密相關的科學問題。由中國科學院哲學研究所（CASIP）與複旦大學智能科學與智能哲學研究中心（PSI）聯合主辦。邀請的報告人或為具有崇高的哲學情懷、廣闊的哲學視野和深邃的哲學思想的哲人科學家，或為具有理性的科學精神、廣博的科學知識和嚴謹的科學思想的科學哲學家。（每場日程安排見文末表格，如有變動，返樸會發出通知，敬請留意。）

講座準備——主講嘉賓思想提要

卡爾羅·羅維利：沒有時間的世界與時間的湧現

撰文 | 羅棟（華南理工大學哲學與科技高等研究所副教授）、顔春玲（中國科學院哲學研究所博士後）

編輯 | 張晏梁

審核 | 範傑

來源 | 中科院哲學所

卡爾羅·羅維利（Carlo Rovelli）

圈量子引力：沒有時間的世界

描述時空/引力的廣義相對論與描述物質運動的量子力學是當代物理學的兩大支柱理論。兩個理論都在各自領域取得了巨大的成功。然而，二者在一些基本點上卻并不相容，比如廣義相對論主張世界在基礎層面是連續的、決定論的，而量子力學卻主張世界在基礎層面是離散的（granular）、非決定論的等。廣義相對論和量子力學的相容問題是當代物理學研究的一個基礎方向。圈量子引力理論是嘗試解決這一問題的理論之一，該理論量子化了空間（空間是分粒的），空間是引力場的量子（“space is quanta of gravitational field”），并且主張世界是由量子場（quantum fields）構成的，包括了空間。世界不再是關于粒子在空間中随時間的運動，而是關于量子場的事件的不斷發生（events happening）。圈量子引力和弦論的不同之處之一表現在圈量子引力研究時間和空間本身，而弦論研究物體在時間和空間内的運動。

圈量子引力的理論基礎是約翰·惠勒（John Wheeler）和布賴斯·德維特（Bryce DeWitt）這兩位著名物理學家于1967年所提出的量子引力理論的首個方程——惠勒-德維特方程（the Wheeler-DeWitt equation）。惠勒-德維特方程的一個重要的特點是，方程中不包含時間變量。基于此方程發展出來的圈量子引力理論同樣保留了這一特征。這使得羅維利認為，世界在基礎層面上是不具有時間特征的。

其實，在羅維利發展圈量子引力理論之前，愛因斯坦的相對論已經使得傳統意義上的時間概念面臨巨大的危機甚至崩塌。傳統上，人們認為時間的快慢是通過時鐘測量的，時間的流逝是均勻的、客觀的；然而，相對論卻揭示了時鐘測量的時間與時鐘的運動狀态、所處的位置等都相關。這導緻時間測量獲得的結果以及“過去-現在-未來”等重要時間概念通常隻對于測量者所在局域空間是有意義的，并不存在對全宇宙或所有觀察者都有意義的普遍時間。

既然傳統的時間概念面臨重重危機甚至崩塌，而圈量子引力理論用來描述世界的基本物理方程又沒有時間變量，那麼，一個合理的推測便是，或許世界在基礎層面上是沒有時間的，也就是說時間在基礎物理所描述下的世界消失了。

然而，如果世界在基礎層面是沒有時間的，我們日常經驗到的時間特征又是怎麼來的呢？是否隻是幻象呢？如果是幻象的話，這一幻象又是如何産生的呢？因此，如果羅維利要主張世界在基礎層面是沒時間的話，他必須要回答的一個問題便是：經驗時間（experiential time）是如何從沒有時間的物理世界湧現（emerge）出來的？

經驗時間的湧現

在理解經驗時間是如何湧現出來之前，首先需要分析經驗時間具有的基本特征。我們經驗到的時間具有方向性，也就是說我們可以分辨過去和将來，我們可以記住過去發生的事，但沒有關于未來的記憶；可以影響未來，但無法改變過去等等。因此，如果要主張基礎物理描述下的世界是沒有時間的，而我們又可以經驗到時間，那麼時間和時間方向如何從沒有時間的世界中湧現出來？

物理學中，除了熱力學第二定律外，所有的基礎物理學定律都具有時間對稱性（time symmetry）。這使得體現時間的方向性的地方都必然涉及到熱現象。熱力學中的時間方向性體現在熵（entropy）這一概念上。一個物理系統的熵表示了該物理系統中微觀組成部分結構的有序度。根據熱力學第二定律，物理系統的熵總是增加的。換言之，物理系統的微觀構成部分之間的結構在有序度上總是降低的，或者說系統的序總是越來越混亂的。

那麼，我們為什麼會認為物理系統的無序度總是在增加的。羅維利認為，這是我們總是用特定的視角（perspective）與世界相互作用的結果，即熵增隻是我們所處視角的結果，而非世界本身的特征。也就是說，時間方向在于我們，而非在于世界本身。

怎麼理解無序度的增加隻是我們視角的結果呢？羅維利給出了一個簡單的例子進行說明。假設我們面前有一副撲克牌，一開始的時候，撲克牌的前26張牌都是紅色的。當洗牌後，牌的順序通常會被打亂，有序度會降低。然而，如果進一步思考的話，我們之所以會認為撲克牌的的排序變得更加無序，隻是因為我們習慣性地認為，同樣顔色的牌都排列在一起要比不同顔色的牌混着排列更加有序；但學過數學排列的人都知道，實際上撲克牌的每一種排列都是等價的。如果每一種排列都是等價的，那麼洗牌使得撲克牌從一種排列變成另外一種排列就無所謂無序度增加了。而我們之所以會覺得無序度增加，隻是因為我們給牌做了标記（撲克牌上的顔色和圖案等），記下了這些标記，并且對于牌的關注也主要在這些标記。當撲克牌的排序同我們更習慣的和更關注的順序不同時，我們便認為牌的無序度增加了。因此，無序度的增加，更多的隻是我們習慣于用特定視角看世界的結果，而非撲克牌本身的無序度在增加。

需要強調的是，這裡所說的時間方向在于我們，而非在于世界，并非是說時間方向是我們的精神主觀地構造出來的，而是指它是與我們生存的環境相關聯的。我們生存的環境隻是宇宙的一小部分，使得我們隻是與宇宙中所有可能變量的一小部分相互作用，并用這部分變量來描述世界，從而導緻我們隻是以一種近似的（approximate）且模糊的（blurred）方式理解世界。正是由于我們處于特定的局域和特定的視角，才使得我們會如同撲克牌例子中那樣，會認為熵總是增加的，或者認為過去的熵是更小的。反之，對于宇宙全局而言，從微觀世界來看，宇宙所有變量的不同的可能狀态都是等價的，從而使得我們描述世界的視角的獨特性不複存在，也就不會認為過去的熵更小。

記憶（Memory）與能動性（Agency）

近年來，羅維利進一步探究他在時間和時間方向上的研究對記憶和能動性等人類認知和行為領域的可能洞見。在記憶上，我們有對過去的記憶，但卻不具有對未來的記憶。在能動性上，作為能動者（agent），我們能夠影響未來，卻無法改變過去。那麼，記憶和能動性的這種不可逆的現象（irreversible phenomena）的産生機制（mechanism）又是怎樣的呢？

羅維利認為，答案很可能隻能是來自熱力學第二定律，也就是熵總是增加的。大緻地來講，記憶和能動性都是生成宏觀世界信息的機制（我們無法直接認知微觀世界）；低熵的過去包含了視角從所有可能變量中選取部分變量的信息；記憶和能動性将低熵的過去中儲存的信息（the information stored in low entropy）轉變為宏觀世界中的可讀信息（information readable in the macroscopic world）；能動性是能動者在外在的宏觀世界留下的痕迹（trace)，記憶則是外在宏觀世界在記憶系統留下的痕迹。

總之，在羅維利的研究中，盡管物理世界在基礎層面是沒有時間方向的，宏觀視角下的過去熵更小或初始狀态的熵更小（low entropy in the past or at the initial state），使得時間反演不變性（time reversal invariance）被打破，産生了我們所經驗到的各類時間方向特征。

羅維利的理論和其對時間和空間的反思，還産生許多有趣的洞見，讓我們期待羅維利的講座，并歡迎所有對時間和空間問題感興趣的讀者參加講座，與羅維利教授進行交流。