時間，原來是這樣：從牛頓力學、愛因斯坦相對論，到量子重力與弦論，探索時間本質之謎

這本書什麼沒有，有的是時間！

時間給你的感覺是光陰似箭？還是度日如年？

或者――時間根本就是人類史上最大的幻覺？

 

臺大物理系賀培銘教授 專文導讀・專業審訂

一本最深入淺出的物理時間觀演進史，發掘不可思議的時間真面目

 

問「時間」為何物？

大哲學家聖奧古斯丁說：「沒人問我的話，我是知道的。但是，當要向提問者說明時，我反而不曉得。」

如此模糊，卻又根深蒂固，這就是人們對「時間」的普遍印象。

我們一般感受到的「時間」，似乎是一種獨立運行而不受任何力量控制的存在，看不見又摸不著，不能停止，也無法回溯。而在當今物理學中，時間可說是熱門的議題。本書就要從物理學的角度來談時間，挑戰「時間是什麼」這個千古難題！其中關鍵就是──仔細觀察物體的運動狀態。

 

我們以為的時間，竟然只是假說

事實上，「時間」是為了合理解釋周遭的物體運動而引進的假說，而且會隨著物理學的屢次突破，因對物體運動的理解改變而產生重大變化。

人們一般對於時間的感受，其實根植於數百年前發展出來的運動定律。尤其是以牛頓的運動定律最爲關鍵，定義出宇宙共通、獨立不受干擾且均勻流動的「絕對時間」，這就是我們習以為常的時間觀念。直到愛因斯坦提出相對論，改變了牛頓建立的時間觀。從此時間不再超然物外，而與空間密不可分，更可被重力扭曲。

可是，這難道就是時間的真面目了嗎？

 

終極大哉問──宇宙是什麼？

最新的物理學研究顯示，量子重力與弦論帶出了更驚人的時間觀：時間其實是包含空間、物質和力的巨大結構之一部分。隨著物理學逐步揭開時間的神祕面紗，意味著我們將能夠直接描述黑洞中心的時空崩壞等物理現象，觸碰宇宙誕生的祕密……

 

本書將帶領讀者踏上精彩的物理革命之旅，一步步逼近時間的真實面貌！

松浦 壯
生於一九七四年。一九九八年從京都大學理學學系畢業。二〇〇三年獲得京都大學大學院的博士學位（理學）。之後以基本粒子物理學者的身分，在日本、丹麥、波蘭的研究機關工作，二〇〇九年任職於慶應義塾大學商學院，二〇一六年升等為教授。研究主題是用超弦理論和數值模擬作超對稱規範場論之解析。研究之餘，也以非自然科學專門的學生為授課對象，教導物理學課程。興趣是武術（合氣道等）、游泳、古典吉他等。著有《推動宇宙的力量是什麼》等書。


譯者：
陳彩華

兼職譯者，業餘馬拉松跑者以及重度文字中毒者。

導讀　時間是什麼

前言　

 

第1章 時間的計量　

現在幾點？

時鐘是什麼？

感覺時間的流逝

記錄時間的流逝

真正的感想

時間的計量方法

真的沒問題嗎？

「時間」這個假說

 

第2章 古典時間觀――伽利略和牛頓創造的概念　

實驗的精神

絕對靜止

從經驗到原理

慣性――相對性原理的出現

力與質量與加速度

力是物體間的相互作用

抽象化的威力

運動定律訴說的時間形象

 

第3章 決定時間方向的東西――「時間之箭」的問題　

時間和運動的間隙之間

時間能倒帶？

列舉「可能性」

好像少了什麼

正因為是混沌

時間是「可能性」的方向

還不懂的事情

我們感覺的「時間」本質究竟是？

 

第4章 從光引導出新時間觀的黎明――狹義相對論　

雖說光很快

光是波？粒子？

光的真面目

邁克森和莫雷的憂鬱

世紀末的困境

愛因斯坦的一點突破

分歧與決斷

從絕對時間到相對時間

超越紙上空談

「時間方向」這個視角

時空和距離

時間延遲代表的事――時間和空間的一體性

 

第5章 振動的時空與重力的本體―廣義相對論　

廣義化的相對性原理

這是在畫大餅？

慣性力

和什麼很像

哪一個是真正的慣性系？

從光的行為來看

重力造成的時間延遲

從時空來看等效原理……時空是扭曲的！

廣義相對性原理，在此復活！

時間的別名――重力

廣義相對論訴說的時間本體

半途中

 

第6章 充滿時空的「場」的作用――馬克士威理論和作為量子的光　

仔細端詳「力」

靜電的本體

局部性的想法

局部性的實現――稱為「場」的概念

磁鐵源自電荷的流動

發電的機制

馬克士威的一擊

電場和磁場的波

愛因斯坦預見的夢

另一個困境

困境的解決

波粒二象性

光是量子

 

第7章 微觀世界的力與物質――全都是量子場構成的　

原子的謎團

原子放出的光

光是運送能量的角色

「不連續」代表的意思

波耳的量子條件

電子喲，你也是呀！――電子也是量子

「容易存在」的波

量子是波？是粒子？

量子的波是什麼波？

粒子是量子的調和（harmony）

量子的真面目

力也是量子的調和

量子場編織而成的物質世界

 

第8章 以量子重力為名的大一統――時間是什麼？　

回顧旅程

在古典的時空加入量子場

重整化和有效場論

廣義相對論是有效場論

「宇宙是什麼？」

不是時間也不是空間的「什麼」

稱之為「弦論」的方法

弦論正在發展當中

時空和場是由矩陣構成的嗎？

探求時間、空間、物質、力的DNA

 

結語　

參考文獻　

索引

前言

「時間是什麼？」是日常生活中大概沒有多少機會可以認真思考的問題，因為時間與我們實在是太過密切了。就算被問「是什麼呢？」大概會得到「時間就是時間呀！你看，時間不是在動嗎？就是那個嘛！想這些沒什麼用吧。」的回答吧。人們很難留意近在咫尺的事物，就像我們平常不將水或空氣的存在放在心上一般。
雖是如此，身旁理所當然的存在並不等同於「無聊」的意思。
比方說，我們周圍的水和空氣由氮、氧、和氫等元素所構成是眾所皆知的。而且可以延伸到我們周遭的各種存在，水和空氣、和形態與形狀完全不同的石頭或我們自身，都是由同樣的「元素」組成，光是這點就讓人十分吃驚了。
但不僅如此，這些到處存在的元素並非在宇宙產生時就存在。事實上，根據各種證據指出，宇宙誕生時只有氫和氦的簡單元素。而其他元素的誕生，竟然是在星球中合成產生的。
夜空的星星發出的光主要是來自氫轉化成氦的核融合過程，但是當質量很重的星球壽命將盡時，氦會核融合產生碳或氧，進而融合產生更重的元素。當這些元素無法再進行核融合時，會發生稱為超新星爆炸的大爆炸，核融合產生的元素因而四散到宇宙各處（比鐵更重的元素就是在這種大爆炸中合成產生的）。
我們的身體主要由碳元素所構成，而周遭充滿了包含氮和氧的水與空氣，這些元素就是遠古時代巨大星球的壽命結束時，產生的元素再次聚集形成太陽、地球以及我們的證據。這並非比喻，我們的起源就是存在於這些星球中。
像水和空氣這些理所當然的存在，一見平凡無奇，也可看成是星球的一生這種浩大宇宙中的最前線的現象。接觸到「理所當然」的背後關聯的理（法則），就能理解世界的樣貌是如此簡單卻精妙，而這也是學習的醍醐味之一。
那麼「時間」呢？時間是無所不在的存在，其背後究竟和什麼原理相關，而我們看世界的方式，又會因理解這些原理而發生什麼改變呢？這就是這本書的主題。
雖說如此，時間果然是棘手的對象呢。自古至今，東西方以時間為主題的論述數不勝數，而論述的切入點從哲學到心理學、生理學、物理學，各式各樣都有。
這也無可厚非，像水或空氣這種眼睛可見的還能具體呈現，而時間根本看不見也摸不到。正因如此，環顧四周，樹木因風搖擺、人們忙碌而快速步行，這些風景都是能被大聲地主張「時間正在流逝喔！」的現象。比起水或空氣，時間是更普遍的存在，我們卻無法捕捉甚至是看到它的本體，只能眼睜睜地看它從手中流逝，讓人十分焦躁。

能實際感覺卻沒有實體。

這就是時間的特徵之一，也可說是時間並非如此簡單的最大原因。受到古代基督教世界觀影響甚鉅的聖奧古斯丁（St. Augustine）也如是說：

……那麼，時間是什麼呢？沒人問我的話，我是知道的。但是，當要向提問者說明時，我反而不曉得。（聖奧古斯丁《懺悔錄》）

經過了將近一千六百年，這種感覺至今依舊不變。
雖說是曖昧的存在，我們之間卻共享著相當具體的「時間」形象。表現方法也許因人因異，但想法應該大同小異吧：

時間是絕對無法逆行，並推動宇宙整體流逝的「什麼」。

就像是「江流不盡，水不復還」（鴨長明《方丈記》）的意思吧。
飄在大江上的小船或浮木，都是往同樣的方向流去，這是因為所有事物都被相同的水流推著。如果小船和浮木能自主行動，就不會是這種一致性地流動。當有什麼事物的動作整齊一致時，我們就會不禁想像其背後似乎有什麼在推動，就像「人流」這個詞彙字面上的感覺一般。
時間也有相同的韻味。
實際上，我們是透過移動的事物來感受其背後的時間。閉上眼睛時，當然也能感覺到時間，但腦袋中感覺到的時間，大體來說是意識活動，也就是腦內的神經迴路流過電流的現象，這種現象便包含了事物的流動。
而且，事物的流動不因場所而改變。像是風吹樹搖動的方式是舉世皆同，也沒聽過球的飛行會因國家而異。這就是支配物體移動的法則不受場所影響的證明。而影響這個法則卻看不到的巨大流動就是「時間」。
更進一步說，我們都有事情一旦發生就無法挽回的體驗。因為逝去的時間無法再追回，所以人們會後悔並體悟要珍惜「現在」的時間。這也是將時間比擬成人力無法撼動的大河流逝的原因。因此時間給人的「流動」印象，也可說是從這類日常經驗所培養出來的。先不論時間是否真的有實體的流動，時間跟流動有密不可分的關係是無庸置疑。
所以我們可以輕易想像時間靜止時的樣子。簡單想像一下，水龍頭流出的水停在半空中，人就像走路姿態的人偶，汽車也定住在那個瞬間不動，彷彿是照片的一個拍攝瞬間的景象。然而這樣想像未免太隨便，如果沒有時間，物體沒有移動，光也靜止的話，我們連影像都沒辦法看到。不對，更深入地說，沒有時間的話，流動在神經細胞中的電流也會跟著停住，我們連看或思考都辦不到。就算使用機械也是同理，當時間停止時，不僅是物體的運動，理論上來說連觀測或記錄都不可能，所以也無法識別時間。至少在我們可感知的範圍，「時間」和「運動」必然共存。
如此一來，要回答「時間是什麼？」這個問題的方法就是—仔細觀察事物運動的狀態。本書也會詳細描述我們具備的常識性時間觀，事實上早在三百年之前就建構而成，以經年累月地組成我們世界觀的古老運動定律為基礎。正因為我們對支撐著世界觀之運動的理解和時間觀並沒有衝突，所以至今毫無疑問地接受時間觀並認定其為真實。
不過，人們所觀察到的自然法則並非絕對不變的真實。反而是為了能合理解釋觀察到的自然現象，說明也與時俱變。這和運動定律相同，歷經三百年以上仍持續更新。
當時間和運動是不可分的情況下，自然法則的更新也會影響到時間觀。因為時間是為了用來理解運動所做的假設，是最基本的原理之一。自然界中更深層的領域現身人前，以此為基礎的運動定律每次更新時，我們對時間的認識也確實地在進化、更加深入。
特別是進入二十世紀後出現了數個新發現，大大改寫原本簡單直觀的自然觀，我們對時間的理解也有了飛躍性的進展。在迎向二十一世紀的當代，最先進的物理學正為人類史上第一次捕捉到時間真正本體而默默振奮。當中想讓更多人能體驗到這種熱切的感覺，也是我提筆寫這本書的理由。
「真實的時間」隨著時代演進而逐漸明朗，它和我們日常生活中所描述的時間姿態差異甚大，卻又與日常的時間觀密不可分。要明白這一切，最好的方法就是思考各個時代發生了什麼事，才能真正理解並接受時間的樣貌。
因此透過這本書，我想讓讀者明白至今為止人類所知的「時間」本質以及對事物運動的理解；在讀者理解運動定律的同時，也能體會到時間觀如何變遷。我也盡可能以生活周遭事物為出發點，按照歷史時序和理論進程來敘述，用淺顯易懂的語句加以延伸，好讓讀者能真正感受到科學確實是一步一步在往前邁進。本書也盡量減少數學公式說明，以易讀好懂為優先考量。
然而另一方面，因為主要以「時間」為主題，即便是極具魅力的內容也得含淚割捨。更何況，本書各章內容要詳述書寫的話，都能寫上一兩本書。所以這本書是定位為網羅性的知識，而非教科書，一邊概觀人類日積月累的重要原理和法則之間的關聯性，同時為讀者導覽時間觀的變遷。將來如果各位有更深入學習各個主題的機會時，能將此書提示的地圖做為理解其他書籍的路標，就深感榮幸了。
前言至此，接下來要進入主題。為了先穩固基礎，就從我們日常中描述的時間觀來進一步思考吧。