天能你看懂了嗎?其實它提到的時間概念只占真正學說的一小部分!

【為什麼我們挑選這本書】「時間」是什麼?正因為我們對它的認識不多,才促成創作者對於時間的各種創意延伸發想。

本文選自《讀懂時間簡史的第一本書》,作者李淼是中國中山大學天文與空間科學研究院院長院長及籌建人。這本書則是他寫給一班大眾關於時間的科普讀物。本文中,李淼將以一般讀者更容易理解的方式,重新組織和詮釋霍金的理論。(責任編輯:鄒鎮鴻)

要解釋這個問題,我們得先給大家前情提要,儘管在自然界中,我們 看到的所有物理過程基本上都沒有反向的過程,但是,如果我們將所有的 過程拍成電影,然後倒帶,物理學家發現,其實在這些不可能的過程中, 物理學定律照樣成立。那麼, 物理學定律照樣成立的這些過程,例如熱量 從溫度低的地方流向溫度高的地方,為什麼沒有在自然界中發生呢?這就是物理學家焦慮的問題。

宇宙大爆炸時發生了什麼事?

仔細一想,其實問題是這樣的:在反向放映的過程中,一個系統總是 從更加混亂的狀態過渡到更加有秩序的狀態,這是熵減少的過程,當然不 可能發生。這同時說明了,我們的宇宙本來開始於熵很少的狀態。所以, 物理學家將這個問題變成了: 為什麼宇宙在開始的時候熵特別少?

讀過《給孩子講宇宙》的人也許還記得,我們的宇宙開始於一場大 爆炸(又稱大霹靂),大爆炸發生的時候,整個宇宙被密度非常高的粒子 氣體充滿,那個時候,宇宙的熵比現在小得多。

為什麼宇宙會從這樣的一 個狀態開始呢?物理學家必須解釋這個問題。後來,物理學家想到一個更 加不可思議的解決方案,在宇宙充滿粒子氣體之前,宇宙還經歷了一個更 加暴烈的過程, 在這個過程中,宇宙在遠遠不到一秒鐘的時間內,膨脹了 一百億億億倍,這個過程叫暴脹

(圖片來源:漫遊者文化提供)

因為它很像金融暴脹,甚至比金融暴 脹厲害得多。這個過程是美國物理學家阿蘭.古斯( Alan Harvey Guth一九四七年~) 發明的,我這裡就不說他為什麼會發明這個理論(我們於第三講中再說),我只是告訴大家,現在多數物理學家和天文學家同意宇宙確實開始於暴脹。

宇宙在暴脹的時候,狀態更加特別,也就是說,熵基本可以忽略不計,為什麼呢?因為在暴脹的時候,根本不存在任何粒子,只有單純的能量。

到底是一種什麼能量呢?物理學家至今還沒有人弄清楚,但有一件事是確定的:沒有粒子只有能量,所以狀態很簡單。如果有人給你一個空盒子,裡面是簡單的真空,你能說這個系統很複雜很混亂嗎?它的熵等於零。

宇宙在暴脹的時候,雖然有能量,但其實和一個真空的盒子差不多,熵基本等於零。 這樣,我們就能夠解釋為什麼宇宙開始的時候狀態很特別。

正因為宇宙開始的時候狀態特別,時間才有了箭頭,因為宇宙作為一個系統,只能變得越來越混亂。

心理學的時間箭頭:過去與未來

截至目前為止,這一講談的都是物理學的時間箭頭,現在,我們要來談談心理學的時間箭頭。

這個時間箭頭更加明顯,因為,我們每一個人都知道,我們只記得過去發生的事情,沒有人能夠預言未來會發生什麼事情。 也就是說,我們的大腦明確地知道過去和未來的區別,這是一個時箭頭。

雖然現在科學家並沒有完全弄清楚人類的大腦到底是怎麼運作的,但有一點是很清楚的,就是當我們學習和記憶的時候,大腦中的神經元會形成一定的排列組合,以某種方式相互連結起來。怎麼理解這件事呢?一個最為簡單的例子,就是中國傳統的算盤。

本來,當我們被生下來的時候,什麼也不記得,就像一個算盤中的所有算珠處於最低的狀態。 現在,我們向上撥一個算珠,算盤就改變了,記錄了一個數字。 再撥幾個算珠,算盤的狀態又改變了,記錄一個更大的數字。

(圖片來源:漫遊者文化提供)

想像一下,我們的大腦接觸外部環境的時候,透過觀察和學習,裡面的神經元就像算珠,改變了狀態,這就是記憶的過程。

撥算珠需要能量,同樣,我們的大腦工作時也需要能量。 我們學得越多,消耗的能量也就越大。 比如你正在讀這本《讀懂時間簡史的第一本書》,快的話需要一天時間,慢一點可能需要好幾天。

你越是集中注意力記住這本書帶給你的知識,你消耗的能量就越大。據科學家估計,一個人在認真思考的時候,大腦消耗的能量大約佔我們身體消耗能量的三分之一。

我為什麼要給大家講大腦耗能這件事呢?你有沒有想過,我們消耗的能量越多,吃進的食物也就越多,排放的東西也就越多,這會造成什麼後果?會造成我們環境的熵越來越大。

你看,學習以及記憶的代價,是讓我們周圍環境的熵變大。 換句話說, 我們的心理時間箭頭,居然和環境的物理時間箭頭是有關係的。 所以,我們不可能預測未來,主要就是因為未來的熵比現在大。 其實,電腦的功能也是這樣,電腦在儲存和運算的時候,每時每刻都在消耗 能量。

當然,我們不必太為消耗能量擔心,畢竟,太陽還有好多好多能量會源源不絕地提供給我們。 現在我們知道了,大腦的記憶越多,儲存的訊息也就越大。

訊息是符號有意義的排列組合

那麼,訊息這種東西,到底是什麼?

假如我給你好多字,像這本書一樣,四萬多字,然後你隨便排列,毫 無疑問,你不會看懂這本書,因為所有的字都是混亂的。 不信的話,我們將上面這段話打散成這樣:

「多像這本假書一,四無是混疑你,萬你多字,然我懂如你便排列,毫問,不會好看這的隨樣本給書,因為所字後有如的字都亂。」

你可以仔細對照一下,雖然是完全一樣的字,但你看得懂嗎?所以我 們得到這樣的結論:亂七八糟的一堆字不會有任何訊息。但是,因為它們 很混亂,熵卻比較大。 熵大而訊息少,這是克勞德.夏農( Claude Elwood Shannon,一九一六∼二○○一年)在一九四八年發現的。夏農是美國數學家,在貝爾實驗室整整工作了三十一年。

(圖片來源:漫遊者文化提供)

貝爾實驗室是一個什麼地方呢?它隸屬於美國電話電報公司,顧名思義,這個實驗室主要的任務之一就是研究通信。

儘管夏農是一位數學家,但他也研究通信。當時電報還是很重要的通信方式,夏農那時要弄明白,怎樣才能辦到即使電報出錯了,也能讓接收電報的人看懂。

年輕一點的朋友可能對電報很陌生。其實就是一台電報機,一個人坐在那裡不停地按一個電鈕,然後電報機透過無線電將一條訊息發出去。

儘管電報機和我們現在常用的手機完全不同,但工作原理沒有什麼特別不同之處。

(圖片來源:漫遊者文化提供)

電報的無線電信號發出去了,接收電報的一方透過電報接收機將無線電信號翻譯成文字,就像上面這張圖。

我們現在很容易理解夏農研究的結果,比方說,我們寫一個帶有兩個字的句子,如果很確定每一個字都沒有錯,當然這個句子的意思也不會錯。

如果這個句子中,每個字出錯的機率是一半,那麼,這個句子很可能完全無法被理解。 他因此得到了一個非常重要的公式,這個公式會告訴我們:一句話裡的訊息含量有多少。

當然,句子越長,訊息量就越大。

夏農得到的訊息公式,正好和熵相反:一段話的熵越大,訊息就越少。 你們都聽說過「位元」吧?這是夏農發明的, 位元越多,訊息就越多。

相反,位元越少,訊息就越少。 一堆亂七八糟的字,沒有什麼位元,熵倒是不小。

總結一下這一講:在宇宙中,熵總是越來越大,這給時間帶來了一個箭頭,未來不同於過去。 熵變大的原因,歸結於我們宇宙在最初的時候,處於一個十分簡單的狀態。 在這個物理時間箭頭之外,還存在我們的心理時間箭頭,這兩個時間箭頭正好是關聯的。

(本文書摘內容出自《讀懂時間簡史的第一本書》,由 漫遊者文化 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題;首圖來源:pexels。)

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