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从剎那到永恆:时间当中有哪些祕密?

作者: 来源:未知 2020-06-17

从剎那到永恆:时间当中有哪些祕密?

来自马来西亚,现居风城。兴趣广泛的生物学家,研究工作之余,嗜好读读书、看看戏、写写作、骑骑车、踏踏青、逗逗猫。

光阴似箭,快乐的日子总是过得比较快的,没一会儿,春节假期就过完了,还没补够眠就要上班了Orz

「一个男人与美女对坐一小时,会觉得似乎只过了一分钟;但如果让他坐在热火炉上一分钟,会觉得似乎过了不只一小时,这就是相对论。」是爱因斯坦的名句。即使不快乐的时光,也能够过得飞快,尤其是当人年纪愈来愈大,就越来越有时间过太快不够用的感觉。

时间客观上是一种尺度,根据维基百科,时间在物理定义是纯量,藉着时间,事件发生之先后可以按过去/现在/未来之序列得以确定(时间点),也可以衡量事件持续的期间以及事件之间之间隔长短(时间段)。时间是除了空间三个维度以外的第四维度。

我们平时经历的时间,在有钟錶的情况下是小时、分钟和秒。我们人类一生也不过几十年,了不起百年,我们能轻易理解年月的意思。就算有读书,人类文明顶多也只有上万年历史,因此要我们理解超过万年的事物,如动辄几百万、几千万、几亿、几十亿年老的地质年代和古生物,我们演化来面对现实生活的脑袋就失灵了。因此有时候在解说一些演化史的时间概念时,我们要打个比方,比如说如果把寒武纪大爆发的五亿四千万年压缩成一天,我们廿万年前出现非洲草原的智人祖先不过是在最后卅秒才现身地球。如果算上地球的历史45亿年和银河系的132亿年历史,那更难理解了。

我们不仅不容易理解超长的时间,也不易理解极短暂的时间,除了禅修者之外。人类的历史中,精準地计时,才几百年的历史,过去绝大多数人只是粗略地计时,不像现代人分秒必争,一秒几十万上下。现在人类可以测量的时间,已经到了阿秒的地步,这也是人类难以想像的短暂时间!

儘管一再强调难以想像,可是科学家就能用理性的分法去理解并且设计测量的方法,但是这些极大和极短的时间究竟有何科学上的意义呢?有本稀有的好书《时间之幂:从极短暂到永恆,囊括各种时间尺度的祕密》(Time in Powers of Ten: Natural Phenomena and Their Timescales),就有两位荷兰乌德勒支大学(Utrecht University)的理论物理学家特胡夫特(Gerard’t Hooft)和范都仁(Stefan Vandoren)来告诉大家时间的秘密。

他们以以10为倍数,从1秒、10秒、100秒、1,000秒开始至到1032秒,然后倒过来从10-25 秒、1攸秒、10攸秒、100攸秒⋯⋯谈回到1秒。全书有48章,每章谈的有衰变、星球轨道、週期及频率、宇宙学、光,层次分明。极长的时间中,我们进入宇宙学的领域;而极短的时间中,我们进入了量子力学和粒子物理的领域。《时间之幂》探讨的尺度不仅是时间,也跨到了空间。

虽然谈的是时空,但这本书的内容极为多样,真佩服作者能收集到这幺丰富的材料,而且还深入浅出地解说,是不可多得的科普好书。他们用楼高508公尺的台北101大楼解说忽略空气阻力的自由落体着地需要10.18秒。虽然我是物理白痴,但也能读得趣味盎然。

他们坦承,这样的写法并非原创的,并指出一位住在比尔托芬(Bilthoven)小镇的老师伯克(Kees Bokes)先生,在1957年出版了《宇宙观:穿越宇宙的四十步》(Cosmic View: The Universe in 40 Jumps),是短片《十的乘幂》(Powers of Ten)的前身,不过他们谈的是超过半个世纪的科学成就,不仅主要是物理,还包括化学、生物和地质的现象。

《时间之幂》提到,理论上,普朗克时间(Planck time)是最小的可测时间间隔。普朗克时间是光波在真空里传播一个普朗克长度的距离所需的时间。它的数值大约为5 × 10-44秒。现行的物理定律预测,在这短暂时间间隔裏所发生的任何变化,是无法测量或探测求得。到2010年5月为止,直接测量的时间不确定性最小为12阿秒(1.2 × 10-17秒),约为3.7 × 1026个普朗克时间。

《时间之幂》有许多彩图,有些篇章虽然超出我专业所以不见得都读懂,但是仍旧被物理学家极强的毅力和智慧设计出测量极长和极短时间的仪器给折服到想跪下。质子衰变成K介子的生命期上限为5.9 × 1033年,为了探测极为罕见的质子衰变,科学家建造了令人印象深刻的大型微中子探测器超级——日本的神冈探测器(Super-KamiokaNDE,可缩写为Super-K或SK;スーパーカミオカンデ),是东京大学在岐阜县飞驒市神冈町的茂住矿山一个深达1000公尺的废弃砷矿建造的。神冈探测器之所以盖在如此深的地层中是因为要阻隔其他的宇宙射线讯号。

神冈探测器主要部分是一个高41.4公尺、直径39.3公尺的不鏽钢圆柱形的容器,盛有5万吨高纯度的水。水箱容量被分成由一个直径为33.8公尺和高度为36.2公尺的不鏽钢上层结构的内部探测器(ID)区,和包括其余结构的外部探测器(OD)区。容器的内壁上安装有11,200个光电倍增管,用于探测高速微中子在水中通过时产生的契忍可夫辐射(Cherenkov radiation),那是是介质中运动的电荷速度超过该介质中光速时发出的一种以短波长为主的电磁辐射,其特徵是蓝色辉光。

2015年日本物理学家梶田隆章就是因神冈探测器的研究「发现了微中子震荡,证明了微中子具有质量」而荣获诺贝尔物理学奖。梶田的老师小柴昌俊用超级神冈探测器证实反应炉中产生的微中子发生了振荡,因「在天体物理学领域做出的先驱性贡献,其中包括在探测宇宙微中子和发现宇宙X射线源方面的成就」在2002年获得诺贝尔物理学奖。《时间之幂》提到的许许多多时间的测量,在基础研究过程中,科学家为了突破测量极限,也都推升了科技的大幅进展,可见基础研究实力才是先进国家科技发展最重要助力。

虽然不容易想像,但中文里还是有许多描写极长和极短时间的词彙,除了书中提到,还有如须臾、瞬息、弹指、剎那⋯⋯,以及恆河沙、阿僧祇、那由他⋯⋯从这些名词不像中文来看,它们应该是外来的。没错,这些词彙都来自印度,熟读佛典的朋友更不陌生。印度人有很强的逻辑数学能力,我们现在通用的所谓阿拉伯数字,发明者其实就是印度人。以下是佛典的记载,非常长,有兴趣可以研究一下。

极短的时间,在《摩诃僧祇律》就记载:「须臾者。二十念名一瞬顷。二十瞬名一弹指。二十弹指名一罗豫。二十罗豫名一须臾。日极长时有十八须臾,夜极短时有十二须臾。夜极长时有十八须臾,日极短时有十二须臾」。意思是24小时有30个须臾,1.2万个弹指,24万个「瞬间」,480万个「剎那」。推知「一剎那」是0.018秒;又据《大毘婆沙论》记载:「百二十剎那成一怛剎那。六十怛剎那成一腊缚,此有七千二百剎那。三十腊缚成一牟呼栗多,此有二百一十六千剎那。三十牟呼栗多成一昼夜」。一日一夜有30牟呼栗多,900腊缚,54,000怛剎那,6,480,000剎那、一剎那的时间长度是1/75秒(约为0.013秒);《仁王护国般若波罗蜜多经观如来品第二》中提到:「一念中有九十剎那,一剎那经九百生灭」。

而极长的时间,《妙法莲华经》:「我成佛已来。复过于此百千万亿那由他阿僧祇劫。自从是来。我常在此娑婆世界说法教化。」;《大方广佛华严经卷第四十五》:「佛言:『善男子!一百洛叉为一俱胝(100 × 10^5 = 10^7),俱胝俱胝为一阿庾多(10^7 × 10^7 = 10^14),阿庾多阿庾多为一那由他(10^28),那由他那由他为一频婆罗(10^56),频婆罗频婆罗为一矜羯罗(10^102),矜羯罗矜羯罗为一阿伽罗(10^204),阿伽罗阿伽罗为一最胜(10^408),最胜最胜为一摩婆(上声呼)罗(10^816),摩婆罗摩婆罗为一阿婆(上)罗,阿婆罗阿婆罗为一多婆(上)罗,多婆罗多婆罗为一界分,界分界分为一普摩,普摩普摩为一禰摩,禰摩禰摩为一阿婆(上)钤,阿婆钤阿婆钤为一弥伽(上)婆,弥伽婆弥伽婆为一毘攞伽,毘攞伽毘攞伽为一毘伽(上)婆,毘伽婆毘伽婆为一僧羯逻摩,僧羯逻摩僧羯逻摩为一毘萨罗,毘萨罗毘萨罗为一毘赡婆,毘赡婆毘赡婆为一毘盛(上)伽,毘盛伽毘盛伽为一毘素陀,毘素陀毘素陀为一毘婆诃,毘婆诃毘婆诃为一毘薄底,毘薄底毘薄底为一毘佉担,毘佉担毘佉担为一称量,称量称量为一一持,一持一持为一异路,异路异路为一颠倒,颠倒颠倒为一三末耶,三末耶三末耶为一毘覩罗,毘覩罗毘覩罗为一奚婆(上)罗,奚婆罗奚婆罗为一伺察,伺察伺察为一周广,周广周广为一高出,高出高出为一最妙,最妙最妙为一泥罗婆,泥罗婆泥罗婆为一诃理婆,诃理婆诃理婆为一一动,一动一动为一诃理蒲,诃理蒲诃理蒲为一诃理三,诃理三诃理三为一奚鲁伽,奚鲁伽奚鲁伽为一达攞步陀,达攞步陀达攞步陀为一诃鲁那,诃鲁那诃鲁那为一摩鲁陀,摩鲁陀摩鲁陀为一忏慕陀,忏慕陀忏慕陀为一瑿攞陀,瑿攞陀瑿攞陀为一摩鲁摩,摩鲁摩摩鲁摩为一调伏,调伏调伏为一离憍慢,离憍慢离憍慢为一不动,不动不动为一极量,极量极量为一阿幺怛罗,阿幺怛罗阿幺怛罗为一勃幺怛罗,勃幺怛罗勃幺怛罗为一伽幺怛罗,伽幺怛罗伽幺怛罗为一那幺怛罗,那幺怛罗那幺怛罗为一奚幺怛罗,奚幺怛罗奚幺怛罗为一鞞幺怛罗,鞞幺怛罗鞞幺怛罗为一鉢罗幺怛罗,鉢罗幺怛罗鉢罗幺怛罗为一尸婆幺怛罗,尸婆幺怛罗尸婆幺怛罗为一翳罗,翳罗翳罗为一薜罗,薜罗薜罗为一谛罗,谛罗谛罗为一偈罗,偈罗偈罗为一窣步罗,窣步罗窣步罗为一泥罗,泥罗泥罗为一计罗,计罗计罗为一细罗,细罗细罗为一睥罗,睥罗睥罗为一谜罗,谜罗谜罗为一娑攞荼,娑攞荼娑攞荼为一谜鲁陀,谜鲁陀谜鲁陀为一契鲁陀,契鲁陀契鲁陀为一摩覩罗,摩覩罗摩覩罗为一娑母罗,娑母罗娑母罗为一阿野娑,阿野娑阿野娑为一迦幺罗,迦幺罗迦幺罗为一摩伽婆,摩伽婆摩伽婆为一阿怛罗,阿怛罗阿怛罗为一醯鲁耶,醯鲁耶醯鲁耶为一薜鲁婆,婆薜鲁婆为一羯罗波,羯罗波羯罗波为一诃婆婆,诃婆婆诃婆婆为一毘婆(上)罗,毘婆罗毘婆罗为一那婆(上)罗,那婆罗那婆罗为一摩攞罗,摩攞罗摩攞罗为一娑婆(上)罗,娑婆罗娑婆罗为一迷攞普,迷攞普迷攞普为一者幺罗,者幺罗者幺罗为一驮幺罗,驮幺罗驮幺罗为一鉢攞幺陀,鉢攞幺陀鉢攞幺陀为一毘伽摩,毘伽摩毘伽摩为一乌波跋多,乌波跋多乌波跋多为一演说,演说演说为一无尽,无尽无尽为一出生,出生出生为一无我,无我无我为一阿畔多,阿畔多阿畔多为一青莲华,青莲华青莲华为一鉢头摩,鉢头摩鉢头摩为一僧祇,僧祇僧祇为一趣,趣趣为一至,至至为一阿僧祇,阿僧祇阿僧祇为一阿僧祇转,阿僧祇转阿僧祇转为一无量,无量无量为一无量转,无量转无量转为一无边,无边无边为一无边转,无边转无边转为一无等,无等无等为一无等转,无等转无等转为一不可数,不可数不可数为一不可数转,不可数转不可数转为一不可称,不可称不可称为一不可称转,不可称转不可称转为一不可思,不可思不可思为一不可思转,不可思转不可思转为一不可量,不可量不可量为一不可量转,不可量转不可量转为一不可说,不可说不可说为一不可说转,不可说转不可说转为一不可说不可说,此又不可说不可说为一不可说不可说转。』」

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