为什么时间箭头是单向的,即为什么时间的流动是单向的呢?

发布时间:2017/01/02 09:07:01 投稿: 网友投稿

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导读: 【symphysicheng的回答(235票)】: 纠错。 @Mandelbrot 作者列的公式都是正确的,但是以下对相对论做的个人诠释是 完全错误 的。 以上例子要告诉我们的是,过去,现在,未来的区别,以及时间的流动,其实并不存在。宇宙中所有的事件,都存在于一个四维(三维...

【symphysicheng的回答(235票)】:

纠错。 @Mandelbrot 作者列的公式都是正确的,但是以下对相对论做的个人诠释是完全错误的。

以上例子要告诉我们的是,过去,现在,未来的区别,以及时间的流动,其实并不存在。宇宙中所有的事件,都存在于一个四维(三维空间 + 时间)的时空连续体中。

爱因斯坦在一封信中写到:

"...for us physicists believe the separation between past, present, and future is only an illusion, although a convincing one."

对于我们物理学家来说,过去、现在、未来的区分只是一种幻觉,尽管看起来很真实。

你可以把整个宇宙看成一盘电影胶片,所有的事件,无论它发生在什么时间,都记录在上面。但是,如果你坐在电影院里,却只能从头到尾地单向观看电影,不能回放,也不能跳转。这是电影放映机的工作方式。

我们的大脑也是这样一部电影放映机。它接收到外部的信息,经过处理,创造出过去、现在和未来的概念,把信息按照时间流动的方式呈现给我们。它把记录下的信息归类为”过去“,而把没有记录的信息归类为”未来“,如此而已。

不管从非线性动力学,量子力学,凝聚态的层展理论。机械论和宿命论都是完全被否定掉了的东西。是历史的垃圾。

@Mandelbrot 对相对论的理解我是第一次看到,相对论和机械论按说应该是没什么关系的。看起来作者是把时间轴习惯性的想象成了一个额外的空间轴来进行简单类比了。

要注意,四个空间轴的几何是欧氏几何。而真实的四维时空是三个空间轴和一个时间轴,其中时间轴的平方比空间轴的平方多一个负号。对应的几何是闵可夫斯基几何。有什么区别呢?简单地说,空间轴的旋转操作是一组三角函数,而闵氏几何中时间轴与空间轴的旋转操作是一组双曲三角函数。什么意思呢?就是你把这样的旋转(时间轴和空间轴的旋转)画在时空图上,你会发现时间和空间的旋转不会超过45度角(趋于光速时趋于45度)。那么很快你就意识到了,在这样的几何中,时间和空间是无法交叉的。你就不能像欧氏几何那样通过坐标轴旋转来证明各个坐标轴的等价性。在这样的几何中,时间和空间就是严格不等价的。

好吧,时间空间不等价。宇宙不是一个四维胶片。然后呢?

然后就是狭义相对论中那些看起来玄玄的时间相对性啊,钟慢效应啊,尺缩效应啊。其数学本质都是闵可夫斯基空间中时间轴和空间轴的旋转。做了这样的旋转之后,不同惯性参考系之间的时间流动会相对变化,不同惯性参考系之间看另外的惯性参考性中发生的事件的先后顺序也不绝对。但每个惯性参考系下自己的时间依然是绝对的。任何一个参考系依然没有回溯到过去的能力。时间轴的方向性在整个数学结构中是得到保证了的。

总结一下,即便是在四维闵可夫斯基空间中,虽然时间的流速不绝对,事件先后次序的看法也由旁观者的参考系而定。但时间轴的方向性依然是绝对的。我在任何一个地方任何一种参考系下依旧可以指出什么是过去,什么是未来。(要不然为什么可以定义过去光锥跟未来光锥)

在时间的单向性这一点上,相对论并没有给出答案。热力学第二定律给出来一个热力学箭头的答案,认为时间的单向性体现为体系的熵增。但似乎还不足以令人完全满意。

总结:不知道,但至少要知道不知道。

【eric的回答(11票)】:

前面Mandelbrot提到的是Block Universe的世界观。但实际上BU的理论并不解释时间之矢的不对称性,更不解释时间的记忆不对称性。而这两点才是我们谈论到时间之矢时真正感兴趣的内容。下面逐一说明。

  1. 时间之矢的不对称性。以熵值大小作为度量,把系统的熵较小的时候叫做过去,反之叫做未来。那么过去和未来的确是客观上不对称的,而不仅仅是幻觉。注意这里我们是遵循BU理念要求的,不谈时间“流动”,“方向”,“从过去到未来”等等与BU不自洽的概念。但即使如此,过去和未来的不对称性在BU中仍然是客观的存在。
  2. 时间的记忆不对称性。是否已被现在记忆/记录并不能直接作为区别过去和未来的定义。因为任何此类定义必须面临这样一个难题:为何你的记忆/记录只能针对熵值更小的时刻,而不是熵值更大的时刻?如果这不是巧合,那么把记忆作为过去未来的区别显然就成了循环定义。实际上,关于这个问题已有无数的paper和debate甚至整本书的讨论:记忆的形成(霍金)、记忆的擦除(C.Bennett)、记忆本身的性质的要求(S Carroll)必然是关于熵不对称的等等,没有公认满意的答案,只有更多的质疑和新的问题。但无论如何,这个问题是完全独立于BU框架的。

【灵剑的回答(2票)】:

宇宙中有没有一种东西,记录着宇宙中发生的一切? - 灵剑的回答

因为本来就是同时看到了这两个问题,所以本来就是想同时回答这两个问题。链接里是前面一部分,我们简单分析了热力学第二定律——熵增这个现象。

我们日常生活当中观测到的事件之间是普遍联系着的,比如说我们观测到了事件A,又观测到了事件B,事件A和事件B之间的联系可以用条件概率来表示:

条件概率表示下,A和B并没有明确的顺序关系,我们一样可以反过来写

,这个条件概率可以用贝叶斯公式展开:

这样,我们说两件事件有联系的时候,我们其实并不会特别约定是时间考前的与时间靠后的有联系,还是反过来。所以普遍的联系并没有时间顺序。

A和B之间联系的紧密程度可以用互信息来描述,互信息的公式写为:

在众多的联系当中,有一种联系在宏观过程中是最引人注目的,这种联系叫做因果联系:当A发生时,B一定发生。用概率描述为

。一般来说,在多粒子体系中,这种时候反过来是不成立的,也就是

。比如说,人被杀,就会死;然而人死,却不一定是被杀,还有自然死亡、意外死亡等原因。当我们观察到因(A)的时候,我们立即就能推断出B会发生;而当我们观察到B时,我们却不能确定A会发生。这就是因和果的不对称性。从信息量的角度来说,我们有

。B的全部信息量都来自于A,然而A的一部分信息量却没有传递给B,而是在这个过程中损失掉了。

从前一个问题的答案中我们已经知道了,随着时间的进行,由于多粒子系统的不可分辨性、以及更多的细节掉进测不准原理范围内,信息量会不断减少,对应熵的不断增大。换句话来说,熵增大的方向就是时间进行的方向。再和因果关系中的效果相结合,我们会发现A到B的过程损失了信息量,而B到A的过程增加了信息量,因此A到B的过程是时间前进的过程。也就是:

因果之矢 = 熵之矢 = 时间之矢

人认识到时间的流动,是因为人的记忆和思维的过程,也是一个多粒子体系下的因果过程,因此思维的方向与时间流动的方向相同。随后,人就会发现因果关系中的因和果的出现顺序,与思维的顺序相同,从而认识到时间是有序的。

因果关系不仅指出了时间的方向,还创造出了时间的断面,因为因果关系中,果的信息量完全来自于因,这意味着作为结果的事件B,它的信息只取决于事件A发生当时的状态,而与之前和之后的状态无关,这种特性在数学上通常被称为马尔可夫性,也就是未来仅仅由现在决定,当现在确定之后,未来与过去无关。人类实在是观察到太多因果关系了,所以会开始觉得一切物理定律都可以用因果关系来表示,也就是确定论的未来。

No,not true。

量子力学中有一种超越了因果的联系。某个量子力学中的事件A产生了两个量子,这两个量子在未来同时被测量,产生了两个事件B和C。如果事件A到事件B、事件A到事件C的联系都是因果联系,我们会得到:

这其实是贝尔不等式的一种变形。然而事实是,量子力学下的实验结果远远超过了互信息的上限,这种超过了因果关系的联系叫做量子纠缠态,实质上来说,是在一个过程中创造出了相干的历史。这种联系的信息传递是超越因果关系的,它是非马尔科夫的,可以说它将信息直接从过去传递到了未来,而没有经过现在(事件A),对现在的任何观测都无法预测这个从过去传递到未来的信息(除非直接破坏它)。从前一个回答中我们已经得到历史是不确定的这个结论,那么由于未来不能完全由现在决定,所以在量子力学中未来也是不确定的。因果关系的确定性,只是这个更普遍的不确定性的相干性退化的结果。

当一种联系不是因果联系的时候,信息量并不是单纯减少的,随着一部分信息的消失,另一部分信息会被创造出来,对单个粒子的系统来说,总的信息量保持不变,只是从一种信息的形式转化成另一种信息的形式,比如当我们试图使位置的不确定性减小的时候,动量的不确定性会增加,实质上是信息在位置和动量之间转化的结果。对多粒子系统来说,粒子之间不可分辨的效果仍然存在,所以熵仍然是增加的,时间之矢的方向不变,与因果联系的方向相同。

【邢明的回答(0票)】:

以上例子要告诉我们的是,过去,现在,未来的区别,以及时间的流动,其实并不存在。宇宙中所有的事件,都存在于一个四维(三维空间 + 时间)的时空连续体中。

爱因斯坦在一封信中写到:

"...for us physicists believe the separation between past, present, and future is only an illusion, although a convincing one."

对于我们物理学家来说,过去、现在、未来的区分只是一种幻觉,尽管看起来很真实。

你可以把整个宇宙看成一盘电影胶片,所有的事件,无论它发生在什么时间,都记录在上面。但是,如果你坐在电影院里,却只能从头到尾地单向观看电影,不能回放,也不能跳转。这是电影放映机的工作方式。

这部分内容否定的是 now /present / 现在, 而不是time / change

【臧大为的回答(2票)】:

当你站着一个充满所有可能性的宇宙当中,你无论向任何方向探索,都是感觉向前移动的。

【明达的回答(2票)】:

这个问题很有意思,作为一个从物理本科沦落到物理民科的人来瞎扯一下:

从热力学第二定律的观点来看,时间的方向就是熵增加的方向;从相对论的观点来看,时间和空间一起构成了时空,而时空是没有方向的,举个例子,在三维空间里面,你能告诉我x轴的方向吗?据说最近的研究发现时间和量子纠缠有联系,太高深,太前沿,坐等专家来答。

阅读完本文还推荐您阅读: 义乌为什么知道川普当选总统,

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