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


大約 75 年前,差不多就在“二戰(zhàn)”開始時,一場關(guān)乎我們對時間本 質(zhì)認知的革命在此悄然掀起。理查德·菲利普斯·費曼(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)中時間和歷史的概念。他們的思想改 變了人們對時間的觀念,時間不再是一條朝固定方向永恒流逝的小溪, 而是變成了一個既可以向前也可以向后延伸的迷宮。通過探尋普林斯頓 的往事,我們希望解釋這場深刻的變革如何誕生,以及它如何影響了當 代人們對物理實在(physical reality)尋求完備解釋的過程。


我們的科學(xué)史之旅從拿騷樓開始,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,形成完美的對稱,守 衛(wèi)著正門入口。繼續(xù)向北走,我們看到了菲茨倫道夫門,這是普林斯頓 大學(xué)的校門,它裝飾華麗,一對石鷹棲息在兩根像紀念碑一樣的石柱上。穿過校門,我們來到了拿騷街,它是普林斯頓的主干道,也是城區(qū)與校 園的分界線。


向街道對面望去,我們注意到一種醒目的不對稱性,與校園建筑優(yōu)雅 的對稱外形形成了鮮明對比。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,它樸實無華、方正、 冷峻,看起來與右邊那座親和、精致的建筑一點兒也不搭調(diào)。


穿過拿騷街,我們被一陣突如其來的迷霧包圍,原本清朗的夜景突然 變得朦朧起來。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)格類似且在同一時間建成;它最突出的特征 是帶有一座日晷,上書拉丁銘文:“Vulnerant omnes: ultima necat”(時間 刀刀傷人,最后一刀致命)。雖然前樓在 20 世紀 60 年代初就被拆毀并改 建成銀行大樓,但在這場歷史的迷霧中,它仍然完好如初,與后樓形成 了完美的對稱關(guān)系。


再往西走就是被草木覆蓋的帕爾默廣場,看起來還很新。廣場上的 商店建于20世紀30年代的城市紳士化a 時期,但奇怪的是,它們好像 剛剛開張。報攤上展示的報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。一張海報宣傳著電影《綠野仙 蹤》。我有一種感覺,我們已經(jīng)不再身處 21 世紀了。


研究生助教


再走一段路,我們就來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)出一個回廊接一 個回廊的復(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)生們在簡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,比如舞會或茶會。


這個時間,大多數(shù)學(xué)生都已經(jīng)睡著了。但是,圖書館里一個裝飾精 致的小房間的燈還亮著,一名瘦高個、棕色頭發(fā)的 21 歲男生窩在椅子里, 嘴角勾出微笑的弧度,聚精會神地看著膝蓋上攤開的一本經(jīng)典力學(xué)書。 他是一名一年級研究生,正在為自己要擔任助教并評分的一門課程做準 備。雖然他對教材已經(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)生們的計算是否正確, 改正他們的錯誤,在此過程中還要訓(xùn)練他們的解題技巧。


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


因此,兩輛小車會互相遠離,其動量大小相等,但方向相反,形成完美的對稱。那它們的速度如何呢?已知動量等于質(zhì)量乘以速度,質(zhì)量 輕的小車的反彈速度就要比質(zhì)量重的小車更快。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):只用一條簡單的守恒定律,我們就能做出精 確的預(yù)測。


這本教材的另一章提到了簡諧運動,這種運動描述了彈簧被壓縮、橡 皮筋被拉伸、鐘擺擺動,或者其他任何在平衡位置周圍來回運動的物體 的行為。就像小車碰撞的情況一樣,經(jīng)典物理學(xué)原理保證了這種彈簧運 動是完全可預(yù)測的。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 在到達平衡態(tài)位置時速度最大,這是因為能量在不同的形式之間相互轉(zhuǎn) 換:與初始位置有關(guān)的能量被稱為勢能,在彈簧回彈的過程中,它轉(zhuǎn)變 成與運動有關(guān)的動能。但到達平衡態(tài)后,彈簧的運動并不會就此終止, 它還會繼續(xù)沿著回縮的方向運動,進而被壓縮。當壓縮量達到一個最大 值后,它會短暫停留一段時間,然后反彈回來。在壓縮到最短的時刻, 彈簧的動能完全轉(zhuǎn)化成了勢能——這一次,勢能是壓縮帶來的,而非拉 伸。在反彈的過程中,彈簧又經(jīng)過了平衡位置,并再次拉伸,周而復(fù)始。 能量由勢能轉(zhuǎn)化為動能,再由動能轉(zhuǎn)化成勢能,但總量不變,這種現(xiàn)象 叫作能量守恒。


單擺也進行著類似的運動。它來回擺動的過程,也是勢能與動能之 間互相轉(zhuǎn)化的過程。如果沒有摩擦力,它就會一直擺動下去。在這種理 想情況下,擺鐘也會一直嘀嗒走動下去,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。


時間周期,即時間周而復(fù)始,事物會以一定的模式不斷重復(fù),這一概 念源于大自然的機械能守恒。封閉系統(tǒng)的機械能守恒現(xiàn)象,會以一定的 周期不斷重復(fù)。對于復(fù)雜的大型系統(tǒng),這類周期的時長可能達到天文學(xué) 尺度。然而,只要是能量守恒的有限系統(tǒng),最終一定會回到一開始的狀態(tài), 就好像兩個人玩井字格游戲時畫圈和叉,比誰先連成一條線,玩的次數(shù)多 了最終一定會出現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)過的局面。大自然偏愛有節(jié)奏的模式。


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


這位研究生打了個哈欠,敲擊桌面的頻率也慢了下來,書從他的膝蓋 滑落到地上。體內(nèi)的生物鐘告訴他該睡覺了,于是他站起身,搖搖晃晃 地走向宿舍,倒在床上。他確實該睡了,因為第二天早上他就要去一幢 名叫法恩樓的大樓里面見他的導(dǎo)師。隨著黎明的來臨,他該開始履行自 己作為助教的責任了。