回溯時間的誕生

回溯時間的誕生

回溯時間的誕生
回溯時間的誕生

這是一個非同小可的發現。

該發現是如此重大且深入本質,以至於德國海德堡大學的這支物理學家團隊慎之又慎,不敢輕易聲張。儘管已深入研究了10年之久,他們還是擔心自己的理論欠缺足夠的深度,實驗證明也不夠準確。

“我們發現了一種物質,它能告訴我們宇宙暴脹後的瞬間發生了什麼。”海德堡大學物理學家托馬斯·加森澤(Thomas Gasenzer)表示。“這是一種新的宇宙現象。”他的同事于爾根·貝爾吉(Jürgen Berges)補充道。

這些專家完成了一項棘手的任務。他們修正並驗證了大爆炸後瞬間構成宇宙的奇異物質的演變規律——在此之前,人類從未將記錄宇宙誕生史的膠片倒回至如此久遠的時刻!此外,他們率先描述了在宇宙誕生之初充斥整個宇宙的夸克湯的動力學機制。

該規律有望幫助人類識別宇宙發展史上的一個關鍵時刻。那一刻,萬物初始,“時間之箭”形成,不可逆的時間之輪開始轉動。這個規律描述了一種原始驅動力。這股力量將原初宇宙所蘊含的強大能量轉化為一個新世界,那裡充斥著粒子、行星、恆星以及能夠感知事件發生和時間流逝的生命。

“這一發現太叫人著迷了。”法國原子能和替代能源委員會(CEA)非平衡態量子力學家馬爾戈·希羅(Marco Schiro)感嘆道,“人類若能瞭解能量在其最基本的量子形式下所具有的動力學機制,就能明白原初宇宙的許多現象並解答量子熱力學的主要問題之一:為什麼人類從未擺脫‘熱化’(thermalisation)這一不可逆的演化過程。”

在這個“不協和音”出現之前,沒有過去,沒有未來;既無歷史,也無事件。誠然,宇宙確實存在:“時空”從一個奇點的大爆炸中誕生。誠然,有些事物已然產生:時空急劇膨脹,體積瞬間暴脹了10^26倍。

但那刻初始的時間還不是我們所熟知的時間。彼時,構築宇宙的能量在暴脹中隨波逐流,若此後再無風浪,這樣的狀態很可能永遠不會被打破。雖然空間已經形成,但時間仍處於靜止狀態:毫無流動跡象,全然沒有方向……

我們只知道這段時間是在大爆炸後10^-32秒至10^-6秒之間,但具體時長不得而知。那時,某個事件突然發生。構成宇宙的原初能量出現了一次輕微的波動。表面上,這一微妙的突發事件無足輕重,但其引致的變化使原初能量的流動有了方向。過去、現在和未來在這一刻誕生。

時間化身洪流推動萬物,以一種不可逆的方式將它們轉變為各種粒子,繼而在引力的共同作用下,催生出恆星與星系。就此,時間才成了如今人們所感知的模樣,生命隨之進化,指針隨之旋轉,熱茶隨之變涼……

所有放在桌上的熱茶都受這支“時間之箭”的影響。我們既可以用秒也可以用數十億年來衡量時間的流逝。大約在150年前,傳熱學的發展幫助人們理解了時間不可逆轉的原因。通過分析粒子的運動數據,物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)證明,粒子將進入一種不可逆轉的熱平衡狀態:茶水的溫度最終會與周圍空氣的溫度一致,且任何一杯茶都不會自發地回溫。

所有孤立系統都會向自身的熱力學平衡態演化:這一“熱化”規律構成了熱力學第二定律。它也是唯一與人類對時間的感知相一致的物理方程式——在我們的認知中,時間總是從過去流向未來。這為托馬斯·加森澤和于爾根·貝爾吉團隊在原初宇宙深處發現的熱化現象奠定了基礎。

然而物質在原初宇宙中處於一種非常特殊的狀態,熱力學通用規律對此並不適用。原初宇宙中沒有任何原子的蹤影,即便簡單、微小如氫原子也要等到大爆炸後37.9萬年才出現。在那個遙遠時代,宇宙好似一片廣闊的量子海洋,力學和熱學原理都“迷失”其中。“一切都處於一種極度的非平衡態。”托馬斯·加森澤表示。

於是研究人員拋開物理學常識,對這些“非平衡”態進行理論探索,由此迎來了首次突破。通過大量計算和建模,海德堡大學的物理學家團隊推導出首個能描述原初物質演化情況的方程式。他們還發現,這片量子海洋所蘊含的能量在傳播時遵循“一種在時間和空間都具有普適性的標度律”。

從形式上看,該方程是一個函數。其中,標度因子由兩個常數共同確定。它能重新設置方程的參數,從而推導出空間中每一點在每一時刻的函數值。換句話說,這種動力學機制是分形的:如果用顯微鏡觀察量子運動,並按照上述標度因子的值來調節焦距,我們就會有一種全然靜止的感覺,感受不到任何變化,一切都處於分形幾何圖形那般的無盡重複之中,類似寶塔花菜上的朵朵小花。


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