這里是夜幕下的普林斯頓,我們將要踏上一場(chǎng)“捉鬼”之旅。鎮(zhèn)上寂 靜得可怕,所有商店都關(guān)門(mén)了。一輪滿月發(fā)出冷冷的光,照耀著樹(shù)木籠 罩的校園。


大約 75 年前,差不多就在“二戰(zhàn)”開(kāi)始時(shí),一場(chǎng)關(guān)乎我們對(duì)時(shí)間本 質(zhì)認(rèn)知的革命在此悄然掀起。理查德·菲利普斯·費(fèi)曼(昵稱“迪克”) 和約翰·阿奇博爾德·惠勒(昵稱“約翰尼”)兩位物理學(xué)家的討論引發(fā) 了一系列事件,顛覆了量子物理學(xué)中時(shí)間和歷史的概念。他們的思想改 變了人們對(duì)時(shí)間的觀念,時(shí)間不再是一條朝固定方向永恒流逝的小溪, 而是變成了一個(gè)既可以向前也可以向后延伸的迷宮。通過(guò)探尋普林斯頓 的往事,我們希望解釋這場(chǎng)深刻的變革如何誕生,以及它如何影響了當(dāng) 代人們對(duì)物理實(shí)在(physical reality)尋求完備解釋的過(guò)程。


我們的科學(xué)史之旅從拿騷樓開(kāi)始,這幢大樓是普林斯頓大學(xué)傳統(tǒng)意義 上的中心。大樓前有兩尊青銅老虎像,一邊一個(gè),形成完美的對(duì)稱,守 衛(wèi)著正門(mén)入口。繼續(xù)向北走,我們看到了菲茨倫道夫門(mén),這是普林斯頓 大學(xué)的校門(mén),它裝飾華麗,一對(duì)石鷹棲息在兩根像紀(jì)念碑一樣的石柱上。穿過(guò)校門(mén),我們來(lái)到了拿騷街,它是普林斯頓的主干道,也是城區(qū)與校 園的分界線。


向街道對(duì)面望去,我們注意到一種醒目的不對(duì)稱性,與校園建筑優(yōu)雅 的對(duì)稱外形形成了鮮明對(duì)比。右手邊朝東的建筑是派恩樓的后樓,這是 一座華麗的都鐸式建筑,模仿 16 世紀(jì)英格蘭小城切斯特的建筑風(fēng)格,令 人驚嘆。左手邊朝西的則是一幢樸素的銀行大樓,它樸實(shí)無(wú)華、方正、 冷峻,看起來(lái)與右邊那座親和、精致的建筑一點(diǎn)兒也不搭調(diào)。


穿過(guò)拿騷街,我們被一陣突如其來(lái)的迷霧包圍,原本清朗的夜景突然 變得朦朧起來(lái)。在迷霧中,派恩樓的前樓如幻影般若隱若現(xiàn)。它是后樓 失散已久的伙伴,與后樓風(fēng)格類(lèi)似且在同一時(shí)間建成;它最突出的特征 是帶有一座日晷,上書(shū)拉丁銘文:“Vulnerant omnes: ultima necat”(時(shí)間 刀刀傷人,最后一刀致命)。雖然前樓在 20 世紀(jì) 60 年代初就被拆毀并改 建成銀行大樓,但在這場(chǎng)歷史的迷霧中,它仍然完好如初,與后樓形成 了完美的對(duì)稱關(guān)系。


再往西走就是被草木覆蓋的帕爾默廣場(chǎng),看起來(lái)還很新。廣場(chǎng)上的 商店建于20世紀(jì)30年代的城市紳士化a 時(shí)期,但奇怪的是,它們好像 剛剛開(kāi)張。報(bào)攤上展示的報(bào)紙頭條刊登著阿道夫·希特勒入侵波蘭的消 息——我們記得它發(fā)生在1939年9月。一張海報(bào)宣傳著電影《綠野仙 蹤》。我有一種感覺(jué),我們已經(jīng)不再身處 21 世紀(jì)了。


研究生助教


再走一段路,我們就來(lái)到了普林斯頓研究生院,這是一座城堡狀的建 筑,位于一塊與主校區(qū)相分離的飛地上。研究生院呈現(xiàn)出一個(gè)回廊接一 個(gè)回廊的復(fù)合結(jié)構(gòu),為忙碌的研究生們提供了一處與世隔絕的環(huán)境。在 這里,學(xué)生們?cè)诤?jiǎn)單舒適的宿舍里居住,在位于中央的食堂里就餐,還 可以參加高端的社交活動(dòng),比如舞會(huì)或茶會(huì)。


這個(gè)時(shí)間,大多數(shù)學(xué)生都已經(jīng)睡著了。但是,圖書(shū)館里一個(gè)裝飾精 致的小房間的燈還亮著,一名瘦高個(gè)、棕色頭發(fā)的 21 歲男生窩在椅子里, 嘴角勾出微笑的弧度,聚精會(huì)神地看著膝蓋上攤開(kāi)的一本經(jīng)典力學(xué)書(shū)。 他是一名一年級(jí)研究生,正在為自己要擔(dān)任助教并評(píng)分的一門(mén)課程做準(zhǔn) 備。雖然他對(duì)教材已經(jīng)很熟悉了,但他還是決定快速瀏覽一下課程的相 關(guān)內(nèi)容。很快,他就要批閱成堆的作業(yè),檢查學(xué)生們的計(jì)算是否正確, 改正他們的錯(cuò)誤,在此過(guò)程中還要訓(xùn)練他們的解題技巧。


一盞金字塔形狀的臺(tái)燈照亮了這位研究生正在閱讀的一段文字,它 講的是一條無(wú)摩擦的軌道上兩輛小車(chē)的正面碰撞。他在頭腦中快速地把 這個(gè)問(wèn)題過(guò)了一遍:給定小車(chē)的質(zhì)量和初始速度,物理學(xué)定律可以精確 地預(yù)測(cè)接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么。根據(jù)艾薩克·牛頓的第三運(yùn)動(dòng)定律,每個(gè)作用 力都對(duì)應(yīng)著一個(gè)反作用力——大小相等、方向相反。根據(jù)牛頓第二定律, 力代表動(dòng)量的改變,動(dòng)量是質(zhì)量與速度的乘積。兩輛小車(chē)受到的力相等, 因此它們的動(dòng)量變化率也相等,只是一輛小車(chē)失去動(dòng)量,而另一輛小車(chē) 得到同樣大小的動(dòng)量。這種平衡被稱為動(dòng)量守恒定律。


因此,兩輛小車(chē)會(huì)互相遠(yuǎn)離,其動(dòng)量大小相等,但方向相反,形成完美的對(duì)稱。那它們的速度如何呢?已知?jiǎng)恿康扔谫|(zhì)量乘以速度,質(zhì)量 輕的小車(chē)的反彈速度就要比質(zhì)量重的小車(chē)更快。這就是經(jīng)典牛頓物理學(xué) 的魅力所在(在這一背景下,經(jīng)典指與我們?nèi)粘Ｉ�活中熟悉的尺度相關(guān), 區(qū)別于亞原子的量子尺度):只用一條簡(jiǎn)單的守恒定律,我們就能做出精 確的預(yù)測(cè)。


這本教材的另一章提到了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)描述了彈簧被壓縮、橡 皮筋被拉伸、鐘擺擺動(dòng),或者其他任何在平衡位置周?chē)鷣?lái)回運(yùn)動(dòng)的物體 的行為。就像小車(chē)碰撞的情況一樣,經(jīng)典物理學(xué)原理保證了這種彈簧運(yùn) 動(dòng)是完全可預(yù)測(cè)的。在忽略摩擦力的情況下,如果我們拉伸彈簧再松手, 它就會(huì)回到被拉伸之前的自然狀態(tài),這種自然狀態(tài)被稱為平衡態(tài)。彈簧 在到達(dá)平衡態(tài)位置時(shí)速度最大,這是因?yàn)槟芰吭诓煌�的形式之間相互轉(zhuǎn) 換:與初始位置有關(guān)的能量被稱為勢(shì)能,在彈簧回彈的過(guò)程中,它轉(zhuǎn)變 成與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的動(dòng)能。但到達(dá)平衡態(tài)后,彈簧的運(yùn)動(dòng)并不會(huì)就此終止, 它還會(huì)繼續(xù)沿著回縮的方向運(yùn)動(dòng),進(jìn)而被壓縮。當(dāng)壓縮量達(dá)到一個(gè)最大 值后,它會(huì)短暫停留一段時(shí)間,然后反彈回來(lái)。在壓縮到最短的時(shí)刻, 彈簧的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化成了勢(shì)能——這一次,勢(shì)能是壓縮帶來(lái)的,而非拉 伸。在反彈的過(guò)程中,彈簧又經(jīng)過(guò)了平衡位置,并再次拉伸,周而復(fù)始。 能量由勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,再由動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢(shì)能,但總量不變,這種現(xiàn)象 叫作能量守恒。


單擺也進(jìn)行著類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)。它來(lái)回?cái)[動(dòng)的過(guò)程,也是勢(shì)能與動(dòng)能之 間互相轉(zhuǎn)化的過(guò)程。如果沒(méi)有摩擦力,它就會(huì)一直擺動(dòng)下去。在這種理 想情況下,擺鐘也會(huì)一直嘀嗒走動(dòng)下去,這是由守恒律的節(jié)拍器主宰的, 完美的、永恒的節(jié)奏。


年輕的研究生開(kāi)始在身旁的桌子上敲擊出節(jié)奏:噠噠,噠噠,噠噠噠


噠。一切都是節(jié)奏。


時(shí)間周期,即時(shí)間周而復(fù)始,事物會(huì)以一定的模式不斷重復(fù),這一概 念源于大自然的機(jī)械能守恒。封閉系統(tǒng)的機(jī)械能守恒現(xiàn)象,會(huì)以一定的 周期不斷重復(fù)。對(duì)于復(fù)雜的大型系統(tǒng),這類(lèi)周期的時(shí)長(zhǎng)可能達(dá)到天文學(xué) 尺度。然而,只要是能量守恒的有限系統(tǒng),最終一定會(huì)回到一開(kāi)始的狀態(tài), 就好像兩個(gè)人玩井字格游戲時(shí)畫(huà)圈和叉,比誰(shuí)先連成一條線,玩的次數(shù)多 了最終一定會(huì)出現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的局面。大自然偏愛(ài)有節(jié)奏的模式。


然而,有另外一種能量不可能被完全回收利用,例如引擎中因?yàn)槟?擦或者空氣阻力而產(chǎn)生的熱量。這種被浪費(fèi)的能量累積起來(lái),產(chǎn)生了一 種大自然的箭頭,不可逆地從過(guò)去指向未來(lái)。因此,雖然理想的系統(tǒng)會(huì) 遵循某種時(shí)間周期,但很多實(shí)際的物理過(guò)程遵循的則是線性的時(shí)間模式。 周期與線性箭頭的問(wèn)題,是數(shù)千年來(lái)關(guān)于時(shí)間爭(zhēng)論的核心。


這位研究生打了個(gè)哈欠,敲擊桌面的頻率也慢了下來(lái),書(shū)從他的膝蓋 滑落到地上。體內(nèi)的生物鐘告訴他該睡覺(jué)了,于是他站起身,搖搖晃晃 地走向宿舍,倒在床上。他確實(shí)該睡了,因?yàn)榈诙�天早上他就要去一�?名叫法恩樓的大樓里面見(jiàn)他的導(dǎo)師。隨著黎明的來(lái)臨,他該開(kāi)始履行自 己作為助教的責(zé)任了。