热黑洞与时间之箭

贺伟伟

为什么我们能够经历生命中几乎每一个时刻？这是现代物理学中一个最大的未解之谜。物理学家利用公式来描述这个世界，这些公式告诉我们事物如何随着时间的流逝而变化，但并未解释时间是什么。我们可以将事物如何因位置不同而改变的过程用公式表现出来，或者把意大利炖饭的口味如何随着“黄油量的增减”而变化的过程用公式记录下来，时间却无法用公式表现。时间似乎在流动，但黄油的量或空间位置不流动。这种差异从何而来？

对于这个问题，我们还可以从另一角度提出：“现在”是什么？我们说只有现在的事物才是存在的，过去的不再存在，未来的尚未存在。但是在物理学上，没有任何事物与“现在”这个概念相对应。让我们比较一下“现在”和“这里”这两个概念，后者指定了说话者的位置。对身处不同位置的两个人来讲，“这里”指两个不同的地方。因此，“这里”的含义取决于说话者的位置。“这里”这个概念用术语来说叫作“指示词”。“现在”是指使用该词时所指的那一刻，因此也属于指示词。

没有人会说“这里”的事物存在，而不在“这里”的事物不存在。那么为什么我们会说“现在”的事物存在，而不处于“现在”的事物就不存在呢？“现在”究竟是客观的、流动性的、让事物延续存在的概念，还是和“这里”这个观念一样，只是存在于我们大脑中的主观反应？

这似乎是个深奥的问题，但是在现代物理学中，已经成为一个亟待解决的问题。爱因斯坦的狭义相对论表明，“现在”这一概念也是主观的。物理学家已得出结论，“现在”对整个宇宙普遍适用的观点是说不通的。爱因斯坦在其挚友米歇尔·贝索去世后，给米歇尔的妹妹写了一封感人的信，信中说：“他只是比我稍早一点离开了这个奇怪的世界，这并没有什么，对我们这些笃信物理学的人来说，过去、现在与未来没有什么区别，只不过是一种持久并固有的幻觉。”

不管是不是幻觉，我们该如何解释时间在流逝这一事实呢？时间流逝对所有人来说都显而易见。我们的思想和话语存在于时间里，我们的语言结构需要这个有着“现在”、“过去”和“未来”的时间。德国哲学家马丁·海德格尔强调我们“生活在时间里”，但我们有没有可能不用“时间流逝”来描述世界？

一些哲学家，包括海德格尔的忠实追随者，都认为物理学无法描述现实生活中最基本的方面，他们将物理学看成是一种误导性的知识而加以排斥。但是，我们已经意识到有时直觉并不准确。如果我们一直坚信这种不准确的直觉，就会仍旧认为地球是平的，太阳绕着地球转。我们的直觉源于有限的经验。当我们抛开直觉再深入一些，就会发现地球并非我们看到的那样：地球是圆的，在我们脚下地球的另一面，人们脚朝上，头朝下。

尽管这看起来很生动，但我们体验的时间流逝并不一定反映基本的现实世界。可是如果不是，那么时间又来自何处？

我认为，从某种层面上看，答案就在于时间和热量之间的密切联系。只有热量流动时，我们才能发觉过去和未来的差别。热量与概率（即利用统计学计算出的大量粒子的运动）相关，而概率又与这样一个事实相关，即我们与世界其他地方的相互作用不能涵盖现实中的每个细节。时间流逝的观念源于物理学，但它的出现并不是为了精确描述事物，而是出现在统计学和热力学的情境中。这可能是解开时间之谜的钥匙。客观来讲，“现在”和“这里”一样，并不是一种客观存在，而是主观存在，但是世界内部微观的相互作用促使一个系统中（如我们自己）发生某些临时现象，这一系统只是以无数变量为媒介进行交互。

我们的记忆和意识都是建立在这些统计学计算出来的现象之上的。对某种假想的超智慧生命而言，时间不会流逝。正如爱因斯坦描绘的那样，整个宇宙是一幢由过去、现在和未来组成的大楼。但由于我们的意识存在局限性，我们只能对世界有着模糊的认识，认为自己活在时间里，因此也就产生了时间流逝的观念。

这样的解释还不够清楚，还有很多问题有待深入理解。“时间”处在各种复杂难题的中心，这些难题是由重力、量子力学和热力学交错在一起引起的。目前还没有一种理论能够整合我们了解这个世界所需的这三方面的基本知识。

值得欣慰的是，霍金的计算结果为解决这些问题提供了一丝线索，也有助于我们找出关于时间本质的更深层次的答案。霍金运用量子力学理论证明了黑洞是有温度的：它们总是热的，就像火炉一样散发热量。没有人观测到过这种热量，因为它极其微弱，但是霍金的计算结果令人信服，而且该结果已被通过多种方法证实，人们已广泛接受黑洞有热量这一事实。

黑洞热量是一种作用于黑洞的量子效应，而黑洞本质上是有重力的。使黑洞表面发热的正是太空中的基本粒子——量子。这一现象涉及问题的三个方面：量子力学、广义相对论和热力学。在（表面上的）时间流逝背后，这一切与统计计算过程紧密相关。物理学家还要走很长的路才能理解这一点，但是最近取得的一些科研进展，如探测到黑洞碰撞时发出的引力波，使物理学家离答案更近了一步。

黑洞的热量似乎就是物理学上的罗塞塔石碑（译者注：罗塞塔石碑为解释古埃及楔形文字提供了可靠线索），这块石碑上刻有三种“语言”——量子、重力和热力学，正等待人们去破译，进而揭示时间的本质。