对于大多数人来说，时间的最大谜团似乎是永远不够用。 如果这能带来些许安慰，物理学家也面临着同样的问题。 物理定律包含一个时间变量，但它未能捕捉到我们生活中的时间的关键方面——特别是过去和未来的区别。 随着研究人员试图制定更基本的定律，小写的 t 完全消失了。 束手无策之下，许多物理学家向一个不熟悉的来源寻求帮助：哲学家。
来自哲学家？ 对于大多数物理学家来说，这听起来相当古怪。 有些人最接近哲学的时候，是在深夜喝着黑啤酒的谈话中。 即使是那些读过严肃哲学的人，通常也怀疑它的用处； 读了十几页康德之后，哲学开始看起来像是对不可确定的事物进行不可理解的追求。 告诉你实话，我认为我的大多数同事都害怕与哲学家交谈——就像被抓到从色情电影院出来一样，宾夕法尼亚大学的物理学家马克斯·泰格马克说。
但并非总是如此。 哲学家在过去的科学革命中发挥了关键作用，包括 20 世纪早期量子力学和相对论的发展。 今天，一场新的革命正在进行，物理学家们正努力将这两种理论合并成量子引力理论——一种将不得不调和两种截然不同的时空概念的理论。 法国艾克斯-马赛大学的卡洛·罗韦利是这项工作的领导者，他说：“哲学家对量子引力中对时空的新理解的贡献将非常重要。”
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
两个例子说明了物理学家和哲学家如何汇集他们的资源。 第一个例子涉及冻结时间的问题，也简称为时间问题。 当理论家试图使用一种称为正则量子化的程序将阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论转化为量子理论时，就会出现这个问题。 该程序在应用于电磁理论时效果显著，但在相对论的情况下，它产生了一个方程——惠勒-德维特方程——没有时间变量。 从字面上看，该方程表明宇宙应该冻结在时间中，永不变化。
不要再浪费时间
这种不幸的结果可能反映了程序本身存在缺陷，但一些物理学家和哲学家认为，它有更深层次的根源，一直追溯到相对论的奠基原则之一：广义协变性，它认为物理定律对于所有观察者都是相同的。 物理学家从几何角度考虑这个原则。 两位观察者会感知到时空具有两种不同的形状，这对应于他们对谁在移动以及什么力在起作用的看法。 每个形状都是另一个形状的平滑变形版本，就像咖啡杯是重新塑形的甜甜圈一样。 广义协变性表示这种差异可能没有意义。 因此，任何两种这样的形状在物理上都是等价的。
在 20 世纪 80 年代后期，匹兹堡大学的哲学家约翰·厄尔曼和约翰·D·诺顿提出，广义协变性对一个古老的形而上学问题具有惊人的意义：空间和时间是否独立于恒星、星系及其它内容而存在（一种称为实体主义的立场），还是它们仅仅是描述物理物体之间关系的人为手段（关系主义）？ 正如诺顿所写：“它们就像艺术家绘画的画布吗？无论艺术家是否在上面绘画，它们都存在？还是它们类似于亲子关系？在有父母和孩子之前，没有亲子关系。”
他和厄尔曼重新审视了爱因斯坦长期以来被忽视的思想实验。 考虑一块空的时空区域。 在这个洞之外，物质的分布固定了时空的几何形状，根据相对论方程。 然而，在内部，广义协变性让时空呈现各种形状。 在某种意义上，时空的表现就像一个帆布帐篷。 代表物质的帐篷杆迫使帆布呈现某种形状。 但是，如果您遗漏了一根杆子，相当于创造了一个洞，那么帐篷的一部分可能会下垂、向外凸起或在风中不可预测地波动。
撇开细微之处不谈，这个思想实验提出了一个两难困境。 如果连续统本身就是一个事物（正如实体主义所认为的那样），那么广义相对论必须是不确定的——也就是说，它对世界的描述必须包含随机性元素。 为了使该理论具有确定性，时空必须仅仅是一种虚构（正如关系主义所认为的那样）。 乍一看，这似乎是关系主义的胜利。 这有助于其他理论，例如电磁学，是基于类似于关系主义的对称性。
但关系主义也有其自身的问题。 它是冻结时间问题的最终根源：空间可能会随着时间推移而变形，但如果它的许多形状都是等价的，那么它就永远不会真正改变。 此外，关系主义与量子力学的实体主义基础相冲突。 如果时空没有固定的意义，你如何能在特定的地点和时刻进行观察，正如量子力学似乎要求的那样？
对这个两难困境的不同解决方案导致了非常不同的量子引力理论。 一些物理学家，例如罗韦利和朱利安·巴伯，正在尝试一种关系主义方法； 他们认为时间不存在，并一直在寻找将变化解释为幻觉的方法。 其他人，包括弦理论家，则倾向于实体主义。
加州大学圣地亚哥分校的哲学家克雷格·卡伦德说：“这是一个很好的物理学哲学价值的例子。 如果物理学家认为正则量子引力中的时间问题仅仅是一个量子问题，那么他们就会损害他们对这个问题的理解——因为它已经伴随我们很久了，而且更普遍。”
熵驱动
哲学家贡献的第二个例子涉及时间之箭——过去和未来的不对称性。 许多人认为时间之箭可以用热力学第二定律来解释，该定律指出熵，粗略地定义为系统内的无序量，随时间增加。 然而，没有人能真正解释第二定律。
19 世纪奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼提出的主要解释是概率性的。 基本思想是，系统无序的方式比有序的方式更多。 如果系统现在相当有序，那么很可能在不久的将来会更加无序。 然而，这种推理在时间上是对称的。 系统可能在不久前也更加无序。 正如玻尔兹曼所认识到的，确保熵在未来增加的唯一方法是，如果它在过去以低值开始。 因此，第二定律与其说是一个基本真理，不如说是一个历史偶然事件，可能与宇宙大爆炸早期的事件有关。
关于时间之箭的其他理论也同样不完整。 悉尼大学的哲学家休·普赖斯认为，几乎所有试图解释时间不对称性的尝试都存在循环论证，例如对时间不对称性的某种隐藏的假设。 他的工作是哲学家如何充当亚利桑那大学哲学家理查德·希利所说的“实践物理学家的知识分子的良知”的一个例子。 他们接受过逻辑严谨性的专门训练，是追踪细微偏见的专家。
如果我们总是听从我们的良知，生活将会很无聊，而物理学家通常在忽视哲学家时做得最好。 但在与我们自身逻辑跳跃的永恒战斗中，良知有时是我们所能依靠的全部。