时间为何不同于其他维度?

  • 校友会志愿者 黄荐(工程学院)
  • 日期:2021-09-09
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        2021年7月8日下午,第十四期《李政道讲座》在中国科学院大学雁栖湖校区继续开讲,这两场讲座我们有幸请到了上海大学的敖平教授。讲座在清华大学崔伟教授主持下开始,首先对敖教授在物理及医学两个领域的科研经历进行了简要介绍。

        敖平教授,1983年毕业于北京大学物理系,之后通过李政道 CUSPEA 项目赴美留学。师从诺奖得主AJ Leggett,开展量子力学的测量问题和宏观量子物体的耗散运动研究,并以此获得博士学位。博士后受教于另一位诺奖得主DJ Thouless,主要研究凝聚态中拓扑缺陷的运动及其物理特性, 如反常霍尔效应, 并从微观理论建立超导和超流中拓扑缺陷的有效动力学方程。之后对生物医学深感兴趣,投身现代生物的探索, 如癌症发生发展机制和相应临床方案; 受生物演化现象启发发展了一个开放、普适的动力学理论。

敖平教授在讲解

        敖教授带来的第一个讲座与物理相关,主要介绍了演化力学的推导过程,并与相对论、量子力学对比,探求时间的意义。受到生物学中达尔文演化过程的启发,并与作为现代物理学基础的统计力学和热力学结合,提出了演化方程,这是一种全新的不同于伊藤和斯卓妥诺维奇积分的随机积分。演化方程中用高斯白噪声来体现随机“力”,这会导致演化力学中能量与信息都不在守恒。这种把不可逆性显示地容纳在内的特点,明确揭示了时间维度和空间维度的不一样。

        梳理2000多年来物理学的基本运动理论的发展脉络。公元前三百多年,亚里士多德认为时间维度与空间维度互不影响, 空间维度可能更为重要——天上和地面的运动规律不同。17世纪后期,牛顿引入了绝对时间与绝对空间的概念, 在经典力学中时间维度与空间维度的地位平等。在牛顿提出三大运动定律后,物理学的基本运动理论一分为三,分别是爱因斯坦的(狭义)相对论力学、量子力学和演化力学。三个力学理论分别引入一个普适物理常数:真空中光速、普朗克常数和玻尔兹曼常数,它们各自界定了对物理世界认识的一个极限:光速不变性、不确定性和不可逆性。

         这三个理论对时间的认识也可一分为三:量子力学基本沿用经典力学的时间概念,时间和空间在经典力学中是相互分离的,是两个不同的物理量或维度,但作为坐标具有一种平等的地位;基于相对论,力学时间与空间统一了,可以在一定程度相互转换,但基本的时序是相对性不变的,时间与空间有所不同;基于热力学第二定律和耗散-涨落定理所代表的不可逆性,演化力学给予了时间一个特别地位。敖教授指出这些显然还不是最后答案,三种普适力学若是统一,以后时间的作用是怎样的,有待更进一步的探索。

         敖教授强调了演化力学及随机积分方程具有重要意义和应用潜力。演化力学为我们提供了量化达尔文进化过程的可能,而且演化力学的核心随机积分方程可以帮助我们解决从物理到化学,从生物到经济等随机演化问题。而演化过程中的不确定性,目前正被广泛应用与人工智能领域。

        同学们就如何通过演化力学来解释达尔文进化论同敖老师进行了深入交流。敖老师为帮助大家更好理解进化过程与随机积分的关系,便以家族传承中的回溯、迭代的过程为例。前一代决定后一代的过程就是一个动力学过程,而每代传承中很多的不确定因素便是噪声项,而社会环境提供的选择可以看作确定项。同学们还对具体方程推导中的细节及其方程中各项所代表的物理意义与敖老师进行互动讨论。

课后同学们积极与敖平教授讨论