引言

“現(xiàn)在”——這一神秘而短暫的時刻，每一瞬間其意義都在變化，長期以來讓無數(shù)的牧師、哲學家和物理學家感到迷惑，而且他們之所以迷惑，都有各自的理由。要想理解“現(xiàn)在”，需要了解相對論、熵、量子物理學、反物質(zhì)、時間反向旅行、量子糾纏、宇宙大爆炸和暗能量。只有“現(xiàn)在”，我們手頭有了所有的物理知識，才能讓我們了解“現(xiàn)在”。

“現(xiàn)在”的難以捉摸的意義一直是物理學發(fā)展的絆腳石。我們從速度和引力理解了時間膨脹，甚至在相對論中理解了時間倒轉(zhuǎn)，但是對于解釋時間最令人驚異的方面，其流動以及“現(xiàn)在”的意義，我們毫無進展。被稱為時空圖的物理學的基本藍圖忽略了這些問題，物理學家有時會將這種缺失視為一種力量，并得出結(jié)論：時間流動是一種錯覺。這是后退。只要我們?nèi)匀粺o法把握“現(xiàn)在”的意義，理解時間的進一步發(fā)展——現(xiàn)實的關(guān)鍵方面——將繼續(xù)被擱置。

本書的目標是把基本的物理學像拼圖一樣把它們拼起來，直到出現(xiàn)有關(guān)“現(xiàn)在”的清晰圖片。為了完成這個工作，我們還必須找到并移除錯誤放置的拼圖。

與“現(xiàn)在”相關(guān)的物理學范圍非常廣泛，這也解釋了這一難題為何至今仍讓人感到難以捉摸。物理學不是簡單和線性的，必然地，這本書涵蓋的巨量的材料可能遠非這一本書所能容納。諸位可以隨意跳過某些章節(jié)，或是利用索引，回到你可能錯過的一些關(guān)鍵問題。這個故事也可以被看作是一個謎題，隨著線索逐漸積累，漸漸引向一個讓人驚訝的答案。

我的研究背景主要是實驗物理學，這門學科是通過建立和使用新的設(shè)備來衡量并偶爾發(fā)現(xiàn)以前隱匿的物理真理。我有兩個項目與我們對時間的理解直接相關(guān)：對大爆炸產(chǎn)生的微波余燼的測量，以及對宇宙過去產(chǎn)生的膨脹的精確確定，包括發(fā)現(xiàn)了正在使膨脹加速的暗能量。我承認，我寫了一些純粹的理論論文，但我之所以這么做，主要是因為當時進行實驗的資金不夠，或者是我認為理論偏離了軌道。據(jù)我所知，這是目前唯一一本由深入?yún)⑴c實驗工作的物理學家撰寫的專門有關(guān)時間的書，而我，也將嘗試對這些工作所帶來的挑戰(zhàn)和挫折提出一些自己的見解。

通往理解“現(xiàn)在”的道路需要五個部分。

在第一部分“令人驚異的時間”中，我從一些有關(guān)時間的已經(jīng)確立，但是仍然令人驚訝的一些方面開始討論，這些主要是由愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的。時間不僅會伸展、彎曲和倒轉(zhuǎn)，而且這種行為會影響我們的日常生活。GPS這種使我們不會迷路的衛(wèi)星系統(tǒng)，完全依賴于愛因斯坦的相對論方程中有關(guān)時間的這些奇怪性質(zhì)的描述。相對論讓我們以四維時空進行思考。第一部分要傳遞的最重要的信息是，對于時間我們確實理解頗多，時間的行為不簡單，但是已經(jīng)由理論所確立。時間行進的速度取決于局部的速度和引力條件，甚至事件的順序——哪個事件首先發(fā)生——并不是一個普遍的真理。此外，愛因斯坦的相對論給我們提供了了解“現(xiàn)在”的意義所需的大部分結(jié)構(gòu)。

在第二部分“折斷的時間之箭”中，我拿掉了一個放置在錯誤位置的拼圖模塊。這個理論對理解“現(xiàn)在”造成了最大的阻礙。這個拼錯的模塊是物理學家阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）的理論，他提出這一理論意在解釋時間之箭，即過去決定了未來這一事實。我先是提出了支持他的理論的最好的案例，但之后，我會揭示其致命的缺陷。

愛丁頓將時間的流動歸因于熵的增加——熵是對于宇宙中無序的量度。相比于愛丁頓在1928年提出這個“熵”的理論，我們現(xiàn)在對于宇宙中的熵更了解了，因此我認為愛丁頓搞反了。時間的流動導(dǎo)致熵增加，而不是相反。熵的產(chǎn)生并沒有施加那些人們常常歸因于它的“暴政”。控制熵的路徑其實對我們理解“現(xiàn)在”至關(guān)重要。

第三部分“怪誕物理學”引入了理解“現(xiàn)在”的另一個重要元素——量子物理學這一神秘科學。量子物理學或許是有史以來最為成功的理論——其預(yù)測與觀測之間的一致性達到了小數(shù)點后十位——但這個理論既令人不安又令人痛苦。量子波鬼魂一般的行為及其測量公然違反愛因斯坦的相對論，但又不能以任何方式被人直接觀察或利用。量子波的這種行為對我們的現(xiàn)實感造成了挑戰(zhàn)，同時又拓展了它，我們將證明，這種現(xiàn)實感對于闡明“現(xiàn)在”是必要的。量子物理學最令人不安的，或者說具有解放意義的是過去不再決定未來，至少不能完全決定。量子物理學中一些最不直觀的方面，特別是稱為“糾纏”的奇怪的特征，已經(jīng)被實驗結(jié)果所證明，而且那些實驗結(jié)果表明（好驚人！），預(yù)測未來的有限能力將永遠是物理學的根本弱點。

在第四部分“物理和現(xiàn)實”中，我將探討物理學的局限性。不要擔心——時間和“現(xiàn)在”不會落入這個區(qū)域；它們起源于物理學，但我們對它們的感知取決于我們的現(xiàn)實感，這種感覺超越物理學。數(shù)學代表的實在性不能通過物理實驗驗證，甚至連像2的平方根的無理性這么簡單的實在性都不能。但是還有一些其他問題，它們既是真實的，同時又不在物理學的范疇內(nèi)，比如，藍色看起來是什么樣子的？對非物理學、非數(shù)學的事物予以否定被哲學家們稱為物理主義。物理主義是以信仰為基礎(chǔ)的，擁有宗教具有的所有特征。唉，與愛因斯坦的熱切希望相反，我們所獲得的證據(jù)表明，物理學是不完整的，它永遠不能夠描述所有的現(xiàn)實。

在第五部分“現(xiàn)在”，我把所有的線索編織起來，并提供了一個統(tǒng)一的圖景，說明時間流動的原因和我們稱為“現(xiàn)在”的短暫時刻的意義。這個答案是在四維大爆炸方法中找到的。宇宙的爆炸不僅不斷創(chuàng)造新的空間，而且創(chuàng)造新的時間。時間擴展的前沿是我們所指的“現(xiàn)在”，時間的流動就是新的“現(xiàn)在”不斷創(chuàng)造出來。我們經(jīng)歷的新時刻不同于前面的時刻，因為它是唯一一個我們可以對其施加選擇和我們的自由意志，從而影響和改變未來的時刻。不管古典哲學家的論點如何，我們現(xiàn)在知道，自由意志與物理學是相容的；那些試圖證明其他解釋的人是基于物理主義的宗教來進行論辯。我們不僅可以利用科學知識，甚至還可以利用非物理學知識（同情、美德、倫理、公平、正義）來引導(dǎo)熵的流動，以強化或破壞我們的文明，從而影響未來。

我探索了對這種四維時間進程的三種可能的測試。觀察到的與暗能量相關(guān)的宇宙膨脹的加速應(yīng)當伴隨著時間速率的加速。這個理論預(yù)測，當前時間比過去時間流動更快，這導(dǎo)致了我們預(yù)測新的和（可能的）可觀察的時間膨脹，這是一種新的紅移。在我們對大爆炸的早期時刻，即暴漲（宇宙大爆炸后的極速膨脹）階段的研究也可以看到這一效果（對于暴漲的研究是通過檢測當時發(fā)射的引力波來進行的，我們可以通過研究微波輻射的極化模式間接觀察到這種引力波）。

第三個測試是當LIGO（激光干涉儀引力波天文臺）在2016年報告探測到了兩個大型黑洞的融合時沒想的。這樣的事件創(chuàng)造了新的空間，并且根據(jù)四維理論，也創(chuàng)造了新的時間。如果未來事件更大或更接近，并且有更強的信號能夠被檢測到的話，這將導(dǎo)致脈沖的后面部分出現(xiàn)延遲。

對于那些想看到更多數(shù)學解釋的讀者，我把相對論和數(shù)學結(jié)果的細節(jié)放在書后的一組附錄中，此外還有一些關(guān)于非物理實在的幻想詩歌和想法。

我們開始拼圖吧。