這位住在鄉下的“民科”，一生只為探尋宇宙與時間的奧秘_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-07-10 10:21
現已耄耋之年的英國物理學家朱利安·巴伯 (Julian Barbour)，自他博士畢業後就沒有選擇走上獲得教職的傳統學術之路，而是回到了自己的家鄉，在享受寧靜的田園生活的同時，思考物理學上的“大問題”——時間之箭和宇宙。在如今的語境下，巴伯的職業或許更接近“民間科學家”的本意，他不斷汲取科學史的精髓，對於時間和宇宙提出自己的觀點。儘管這些思想一直遊離在學術界的邊緣，但其著作仍掀起過波瀾，引起一流學者的關注。他是另類的物理學家，一名物理學的鄉村紳士。
撰文 | Michael Brook
翻譯 | 夏夢嬋（上海師範大學數理學院天體物理中心）、張一（上海師範大學物理系）
挑戰“時間”
朱利安·巴伯（Julian Barbour）對時間的痴迷始於1963年10月18日。那天這位26歲的劍橋數學系研究生正在前往德國巴伐利亞阿爾卑斯山的火車上，他和一位朋友計劃攀登德國的第三高峯瓦茨曼峯（Watzmann）。巴伯手中的報紙上有一篇英國物理學家狄拉克（Paul Dirac）發表在《科學美國人》上的文章的摘要。“他質疑四維對稱性是否是物理世界的基本特徵。”巴伯回憶道。狄拉克在拆解愛因斯坦關於三維空間和一維時間的觀念，尋找更深層次的真理。第二天，巴伯頭痛醒來，告訴朋友他的狀態不能爬山。“我説，‘你得自己上山了。’”巴伯獨自坐在那裏沉思，他問自己：“時間是什麼？”
巴伯認為這個問題來自狄拉克的那篇文章，但他後來重新讀了它，問題卻並不在其中。“裏面沒有一句話提及狄拉克曾問什麼是時間。這一定是我為了讓自己有信心挑戰它而虛構出來的。”他説，“我猜當時我是這麼想的，如果狄拉克説過這句話，這個問題肯定值得挑戰！”
時間本性的問題是如此之大，巴伯自己並不能獨攬其艱，卻還是主宰了他的生活。1999年，他的初步結論出版了，即The End of Time（《時間的終結》）一書，他在書中宣稱時間是一種幻覺，在宇宙如何運行的基本描述中並無立足之地。這本書被不約而同地描述為“挑釁性的”和“引人入勝的”。物理哲學家桑德斯（Simon Saunders）在《紐約時報》上稱讚它是“一部傑作”。但最令人欣慰的反應肯定是來自惠勒（John Archibald Wheeler）的，他是創造了“黑洞”一詞的一流物理學家（在各種意義上），惠勒説：“如果柏拉圖和亞里士多德讀過這本書，他們可能仍然在討論它。”
2021年4月，坐在位於英格蘭牛津郡有着360年曆史的老宅的廚房裏，年已84歲的巴伯仍然像一個26歲的年輕人一樣興奮地討論着時間的概念。2020年12月，他出版了 The Janus Point《雅努斯點》，這是他繼《時間的終結》之後的又一部力作。書名來自可以同時向前和向後看的雙頭羅馬神祇。巴伯的論點是，大爆炸（The Big Bang）——他稱之為雅努斯點——在兩個方向上播撒了時間流動的種子。時間“不再只有從過去到未來的單一方向，而是有兩個方向：從位於雅努斯點的共同過去，流向離它而去的兩個未來。”巴伯寫道。
圓周理論物理研究所的教授斯莫林（Lee Smolin）稱《雅努斯點》是“幾年來我所讀過關於宇宙學的最重要的一本著作……它既是一部文學作品，也是一部科學思想的傑作。”
我沒有斯莫林那樣的職業判斷，但這本書確實讓人感到耳目一新、與眾不同：一部對物理學最大未解之謎之一進行嚴密論證且實質性解讀的著作，作者不僅對物理學，而且對與其主題相關的歷史和哲學進行了研究。尤為難得的是，不像其他許多科普遊戲，巴伯只發表他認為值得發表的觀點。單憑這一點就足以使他值得傾聽。正如巴伯所預料的那樣，要掌握他的中心論點並非易事。這就是為什麼他的書在各處段落之間留有額外的空白：在這些地方，巴伯寫道，讀者可以暫停下來，“喝杯茶或咖啡休息一下”。但與其自己在家裏，還不如和作者本人一起喝茶會學到更多。巴伯很樂意幫我這個忙。
物理學的鄉村紳士
當他在前門迎接我時，巴伯體現了典型的英國鄉村紳士閒適的精髓。他身着黃褐色運動衫，外面套一件拉好拉鍊的羊毛背心。巴伯長得瘦高，顯得他藍灰色燈芯絨長褲有點短，腳上，裹着厚厚的淺灰色襪子，踏着一雙勃肯拖鞋。巴伯很快就笑出了聲，給人一種曾經是學校板球隊隊長的感覺。
在物理學界掀起波瀾之前，巴伯並不是一個學術巨星。在劍橋，他獲得了他所謂的“相當普通的二等學位”，然後選擇休假一年到慕尼黑生活以提高德語水平（結果去了一所由曾任希特勒首席譯員的人管理的學校）。在那他遇到了彼得·米特斯泰德[注1]（Peter Mittelstaedt），一名年輕的學者，曾是海森堡（Werner Heisenberg）的學生。“他邀請我跟他攻讀博士學位。”巴伯説。巴伯想研究馬赫（Ernst Mach）關於時間本質的觀念，但米特斯泰德説：“不，這太冒險了——你可能不會有任何進展，而且永遠找不到工作。”取而代之，巴伯的博士論文是關於廣義相對論的，他説，“坦率地講，我的論文非常普通。”
即使放棄了馬赫，他仍然堅信自己永遠不會從事一份學術工作。當他必須做出決斷時，巴伯問了一個熟人，如果擔任一個研究職位，會對自己有什麼樣的要求。答案是——每年發表一、二篇優秀論文——這把巴伯嚇壞了。“我説我完全不可能做到這一點。”
巴伯放棄了學術生涯的想法，回到了英國。他在德國期間還學習了俄語，之後開始為紐約的普萊南出版社（Plenum Publishing）和美國物理研究所（American Institute of Physics）翻譯經典的俄羅斯物理學論文，以此謀生。“這份工作十分枯燥，但收入卻很穩定。” 巴伯談道，“這使我約有三分之一的時間用於自由發展自己的想法。”為了進一步滿足自己的智力渴求，巴伯成了各種物理學會議上的一個常客，吸收各種思想並在業餘時間消化它們。“我把自己比作一隻從學術界採蜜的蜜蜂。”他説。
巴伯住的這棟老宅名叫學院農場（College Farm），家中有一張定製的半圓形書桌，他就在這兒寫作。學院農場是他在1963年11月從牛津大學新學院購得的，從一樓的窗户可以看到他童年時的家。這兩座建築，和村子裏的大多數房子一樣，都是用某種金色的石頭建造的，似乎是為了捕捉並反射傍晚的落日餘暉；按照房地產經紀人的説法，這裏就是田園牧歌。好像是為了證實這一點，巴伯的房子旁邊掛着一塊指示牌。它指向房子背面，宣告後面某處就是阿卡迪亞（Arcadia），古希臘人神話裏的世外桃源。學院農場隔壁，通向世外桃源的路的另一邊，是建於12世紀的聖伯多祿受鐵鏈刑教堂（St. Peter ad Vincula）教堂。不難想象，年輕的休·格蘭特[注2]（Hugh Grant）穿着晨禮服衝過教堂院落，喃喃自語地為再次遲到道歉。這是《四個婚禮和一個葬禮》[注3]（Four Weddings and a Funeral）的英格蘭，是約翰·貝傑曼[注4]（John Betjeman）的英格蘭，是時光凝滯的英格蘭。對於一個一生中大部分時間都在和時間對抗的人來説，這一幕恰如其分。
來自科學史的啓示
在許多方面，宣稱時間是虛幻的不過是舉手之勞。我們最深刻的理論表明，時間不是宇宙的基礎：在量子物理學中，除去作為變化的標記，它並不真正扮演角色。在相對論中，時間是可塑的，橫跨宇宙，片刻都無法定義。一個懸而未決的大問題是，是什麼導致我們關於時間之箭的經驗——時刻的單向流動？巴伯在《雅努斯點》中已經解釋了他所認為的答案。他説，這個答案自18世紀末起就潛藏在眾目睽睽之下，等待着被發現。
1772年，法國數學家拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）做出了一項非凡的發現。大概如是：假設有三個粒子在運動，且僅通過牛頓引力定律相互作用。拉格朗日表明，這一總系統的大小——即一個包圍所有三個粒子的假想圓的直徑——會以一種非常古怪的方式變化。該直徑會在某個時刻收縮到最小，然後再增長——直到永遠。整個三粒子系統再也不會回到那個最小的尺寸。
令人驚訝的是，拉格朗日的結果適用於任何數量的粒子。當巴伯讀過後，他認為這一結論可能適用於整個宇宙；畢竟，宇宙無非是一堆旋轉的粒子。如果真是這樣，那就意味着宇宙在某個時刻達到最小的尺寸，然後一直膨脹下去。這個最小值就是我們認為的大爆炸時刻。在巴伯的雙面雅努斯宇宙中，時間朝着遠離最小尺寸的點在兩個方向流動。巴伯表示，拉格朗日最小尺寸的證明給了我們時間之箭的原因。為什麼我們只體驗到時光流逝？因為我們正在遠離拉格朗日極小值點，數學定律告訴我們不能回到那裏。
巴伯説：“從我記事起，我就一直對時間之箭感興趣。，還從來沒有人提出過一條宇宙法則告訴我們時間之箭一定存在。這樣的想法在那已經有四個世紀了，真是不可思議。”
雖然巴伯看好他從科學史研究中總結出的東西，但其他物理學家並不清楚是否雅努斯點的想法解決了時間之箭的問題。首先，這是一個純粹的經典思想，對於量子場論等更基本的方法來説意義不大。更重要的是，巴伯的模型本應該能解釋宇宙中物質初始漲落的起源，這對於解釋天文學家以極高精度觀測到的大尺度結構至關重要，可是他的模型並沒有做到。因此，雖然這些論據聽起來很有説服力，但宇宙學的業內人士一般都對雅努斯點持謹慎態度。
這樣的批評並不能阻止巴伯探索他的想法。即便現在已懷揣兩本代表作，他的探索之旅還沒結束。巴伯現在身體還不錯，每天步行一個多小時。但他承認，有些事情正在放緩，例如他必須重新閲讀前一天的作品，然後才能繼續寫作，但他對年齡毫不畏懼。“我認為真正重要的東西是，那些概念上的想法是好的。”所以，就像時間一樣，他總是勇往直前。“我還想出版兩本書” ，一部是他已經寫了一半的熱力學史；另一個則是全新的，典型的鉅著，要將量子物理學同愛因斯坦的相對論結合起來，創建一個單一的“量子引力”框架來描述宇宙。“不誇張地説，在我寫《雅努斯點》最後一章時，這一想法降臨了。”
這個新想法的根源來自他的初心——奧地利物理學家馬赫。對馬赫工作的深入研究使巴伯走上了一條與他各方面的合作者將理論形式化的道路。他把其本質概括為：你需要什麼樣的初始數據來預言未來？巴伯説，關鍵是要確保將宇宙膨脹考慮在內，“這帶來了所有有趣的結構、形態以及一切。”新想法可能解決量子力學的測量問題，以及結合量子理論與相對論，令他感到十分興奮。巴伯還認為，甚至更具爭議的是，它可以確定宇宙的意義。“如果這個關於時間和量子引力的新觀點正確，我認為定義宇宙是可能的。”
雨燕和行星：朱利安·巴伯的天賦在於他了解曾經的思想和表述，並找到將這些見解綜合成新想法的途徑。在這段簡短的視頻中，巴伯將農場裏的雨燕羣落與開普勒對行星運動的洞察進行了比較。拍攝/Karol Jalochowski【前往“返樸”觀看視頻】
宇宙的意義
尋找宇宙的意義並不在絕大多數科學家考慮的職責範圍之內。按照慣例，藝術家、作家和哲學家才是給我們帶來意義的人。但巴伯似乎很樂意把科學和藝術的角色互換。他甚至認為，藝術可能比科學能更好地引領我們認識宇宙的真實本質。在《雅努斯點》一書中他寫道，人類深刻創造力的時刻“可能是來自整個宇宙的潛意識靈感”，一部偉大的歌劇詠歎調的表演可以像任何數學方程式一樣巧妙地捕捉宇宙的某些東西。他將人類視為宇宙戲劇中的演員，而形容自己是“宇宙所發生一切的參與者”。
無論學術界的同事們把他看作是科學家、思想家、作家，還是煽動者，巴伯都是科學界備受讚賞的參與人。他是樂觀主義者和理想主義者，他的性格並不像許多象牙塔內的研究員那樣頑固、總是多疑。他是個樂天派，並且承認自己是個柏拉圖主義者，相信存在理想——一種藏在陽光斑駁的小巷裏的烏托邦，我們不太可能見到的地方。對這種避世的田園生活的追求似乎是他的動力所在。
這也許是為什麼17世紀的德國物理學家和哲學家萊布尼茨（Gottfried Leibniz）不斷出現在我們對話中的原因。萊布尼茨關於時間的想法並未引起巴伯太多興趣，反而是萊布尼茨的宇宙觀。萊布尼茨認為，追求完美是宇宙演變的最終根本目的。伏爾泰（Voltaire）嘲諷萊布尼茨認為我們生活在所有可能世界當中最好的那個，但巴伯同意萊布尼茨的觀點。儘管所有人都經歷其人生，但在許多方面，巴伯一生的工作是萊布尼茨為理想主義辯護努力的延續。他對我説，“我傾向於認為，正如萊布尼茨所想，世間之善要比惡多。”
在我們的交談中，巴伯找不到合適的詞來概括萊布尼茨的哲學。第二天早上7點35分，他給我發了一封電子郵件。他説：“我要找的詞是神正論（theodicy）。”它的意思即為上帝辯護，試圖證明邪惡的存在並沒有內在的理由，而否定一個善的、無所不能的神的存在。巴伯工作的核心似乎存在一個神正論：隨着宇宙遠離它的最小值，所有的事情都能且必然發生；如果你想讓善存在，你就必須容忍惡。正如巴伯在書中所説，“沒有黑暗就沒有光明。”
而且，年屆高齡，也許他更有資格作評判。在經歷了從爬山到與一個年輕的理論物理學家共處一室，聽他首次介紹我們現在稱之為霍金輻射的想法，再到照顧他患阿茲海默症的妻子，他學到了充分利用時間才是最重要的。他的廚房裏擺滿了孫子孫女的照片，他幾乎每天都用Zoom和生活在法國、阿根廷和南非的孩子交流，家庭對巴伯來説比以往任何時候都重要。他最近失去了妻子，一個女兒也在近期過世了（他在《雅努斯點》一書的題獻上紀念了她們）。
在訪談的最後，我提出了物理學家卡爾·薩根（Carl Sagan）關於意義的看法：我們的生命，無論看起來多麼微不足道或痛苦，都具有宇宙意義，因為人類是宇宙獲得自我認識的手段。“我從沒讀過卡爾·薩根的書。”巴伯説。
在巴伯面前，也許因為缺乏相關訓練，人們很容易感到膽怯。他對物理學史瞭解的廣闊，幾乎比從事這一領域的任何人都要廣得多。他的天賦在於，他知道人們曾經的思考和陳述，他找到了綜合這些見解的方法，並從它們的含義中引出新的思想。但巴伯也對新思想持開放態度。“我認為薩根的直覺很準。”他説道。
註釋及參考文獻
[1] 彼得·米特斯泰德（Peter Mittelstaedt ，1929-2014），德國著名的理論物理學家和科學哲學家
[2] 休·格蘭特（Hugh Grant），英國著名男演員。
[3]《四個婚禮和一個葬禮》是Channel Four Films出品的愛情輕喜劇電影，由Mike Newell執導，Hugh Grant、Andie MacDowell主演，1994年上映。
[4] 約翰·貝傑曼 (John Betjeman，1906-1984)，英國詩人。
[5] 本文譯自The Country Gentleman of Physics
https://nautil.us/issue/100/outsiders/the-country-gentleman-of-physics