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”)兩位物理學家的討論引發(fā) 了一系列事件,顛覆了量子物理學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。


我們的科學史之旅從拿騷樓開始,這幢大樓是普林斯頓大學傳統(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 個回廊的復合結構,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 關內(nèi)容。很快,他就要批閱成堆的作業(yè),檢查學生們的計算是否正確, 改正他們的錯誤,在此過程中還要訓練他們的解題技巧。


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,物理學定律可以精確 地預測接下來會發(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 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, 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)典物理學原理保證了這種彈簧運 動是完全可預測的。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 換:與初始位置有關的能量被稱為勢能,在彈簧回彈的過程中,它轉變 成與運動有關的動能。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,周而復始。 能量由勢能轉化為動能,再由動能轉化成勢能,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,即時間周而復始,事物會以一定的模式不斷重復,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。對于復雜的大型系統(tǒng),這類周期的時長可能達到天文學 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師。隨著黎明的來臨,他該開始履行自 己作為助教的責任了。