时间的计算视图
时间是人类体验的核心特征。但它究竟是什么?在传统的科学解释中,它通常被表示为某种类似于空间的坐标(尽管出于某种原因,这种坐标对我们来说总是系统地增加)。但尽管这可能是一个有用的数学描述,但它并没有告诉我们时间在某种意义上“本质上是什么”。
一旦我们开始用计算的方式思考,我们就会更接近事实。因为这样我们就会自然而然地认为世界的连续状态是通过逐步应用某种计算规则来计算出来的。这表明我们可以将时间的进展等同于“宇宙逐步进行的计算”。
但这是否意味着我们用“计算步数”取代了“时间坐标”?不。这是因为存在计算不可约性现象。按照时间坐标的传统数学概念,人们通常认为这个坐标可以“设置为任意值”,然后就可以立即计算出系统当时的状态。但计算不可约性意味着这并不那么容易。因为它表明,通常没有比明确追踪系统演化过程中的每个步骤更好的方法来发现系统将做什么。
左侧图片具有计算可约性,可以很容易地看到经过任意数量的步骤t之后的状态。但右侧图片(可能)具有计算不可约性,因此唯一能知道t步骤之后会发生什么的方法就是有效地运行所有这些步骤:
这意味着从计算的角度来看,时间具有一定的稳健性。没有办法“跳跃”时间;唯一能知道未来会发生什么的方法就是通过不可简化的计算步骤来实现。
有一些简单的理想化系统(例如具有纯周期行为的系统),其中存在计算可约性,并且不存在任何稳健的时间进展概念。但关键在于——正如计算等价原理所暗示的那样——我们的宇宙不可避免地充满了计算不可约性,这实际上定义了一个稳健的时间进展概念。
观察员的角色
时间是宇宙计算进程的反映,这是一个重要的起点。但这并不是故事的结束。例如,这里有一个迫在眉睫的问题。如果我们有一个计算规则来确定系统的每个连续状态,那么至少在原则上可以知道系统的整个未来。那么,既然如此,为什么我们只能“在发生时”体验未来呢?
从根本上讲,这是因为我们作为观察者的方式。如果底层系统在计算上是不可简化的,那么要计算出其未来行为就需要进行不可简化的计算工作。但像我们这样的观察者的一个核心特征就是我们受到计算的限制。所以我们无法完成所有不可简化的计算工作来“了解整个未来”——相反,我们实际上只能在系统本身旁边进行计算,永远无法实质性地“向前跳跃”,只能看到未来“逐步展开”。
因此,从本质上讲,我们之所以能体验时间,是因为我们作为观察者的计算局限性与宇宙中潜在过程的计算不可约性之间的相互作用。如果我们不受计算限制,我们就可以“一口气感知整个未来”,我们根本不需要时间概念。如果没有潜在的计算不可约性,就不会有我们与时间体验相关的那种“对未来的逐步揭示”。
我们日常对时间的感知的一个显著特点是它似乎“只朝一个方向流动”——例如,记住过去通常比预测未来容易得多。这与热力学第二定律密切相关,而热力学第二定律(正如我在其他地方详细论述过的)又是底层计算不可约性和我们的计算有界性相互作用的结果。是的,微观物理定律可能是可逆的(事实上,如果我们的系统简单——并且计算可约——这种可逆性可能会充分“显现出来”)。但关键是,计算不可约性在某种意义上是一种更强大的力量。
想象一下,我们准备一个具有有序结构的状态。如果其演变在计算上不可约,那么该结构将被有效地“加密”,以至于计算受限的观察者无法识别该结构。鉴于潜在的可逆性,该结构在某种意义上不可避免地“仍然存在”——但计算受限的观察者无法“访问”它。因此,这样的观察者将感知到从准备的有序状态到观察到的无序状态的明确流动。(原则上,人们可能会认为应该可以建立一个“表现为反热力学”的状态——但关键在于,这样做需要预测计算不可约的过程,而计算受限的观察者无法做到这一点。)
关于时间本质的一个长期困惑与时间与空间的“数学相似性”有关。事实上,自从相对论诞生之初,人们就习惯用“时空”来谈论时间,因为在“时空”中,空间和时间的概念是捆绑在一起的。
但在我们的物理项目中,事情的根本运作方式完全不是这样。在最低层次上,宇宙的状态由超图表示,它捕捉了离散“空间原子”之间的“空间关系”。时间对应于这个超图的逐步重写。
从某种意义上说,“时间原子”是发生的基本的“重写事件”。如果一个事件的“输出”需要为另一个事件提供“输入”,那么我们可以认为第一个事件在时间上先于第二个事件——并且事件是“时间分离的”。一般来说,我们可以构建一个因果图来显示不同事件之间的依赖关系。
那么这与时间和时空有何关系?正如我们将在下面讨论的那样,我们每天的时间体验是它遵循一条线索。因此,我们倾向于将基本事件的因果图“解析”为一系列我们可以视为与“连续时间”相对应的切片。与标准相对论一样,通常没有唯一的方式来分配此类“同时性表面”的序列,因此存在不同的“参考系”,其中对空间和时间的识别是不同的。
完全因果图将我们通常认为的空间与我们通常认为的时间捆绑在一起。但最终,时间的进展总是与一些“在计算上相互建立”的连续事件的选择有关。是的,由于存在不同的选择,它变得更加复杂。但时间进展作为“计算的进行”的基本思想是非常相同的。(从某种意义上说,时间代表宇宙中的“计算进展”,而空间代表“其数据结构的布局”。)
就像第二定律的推导(或从分子动力学推导流体力学)一样,从超图重写的底层因果图推导爱因斯坦时空大尺度行为方程取决于我们是计算受限的观察者这一事实。但即使我们计算受限,我们仍然必须“让内部发生一些事情”,否则我们就不会记录或感知任何“时间进展”。
正如我最近的观察者理论所言,我们这些观察者的本质似乎是将世界的许多不同状态等同起来,从而得出我们对“外部正在发生的事情”的内部感知。在某种粗略的层面上,我们可以想象我们通过增加这些内部感知的速率来感知时间的流逝。如果我们不增加这些感知,那么时间实际上就会停止——就像我们睡着了、被麻醉了或死了一样。
值得一提的是,在某些极端情况下,使感知时间停止的并不是观察者的内部结构,而是宇宙本身的底层结构。正如我们所提到的,“宇宙的进步”与底层超图的连续重写有关。但是当“超图中的活动过多”(物理上大致对应于过多的能量动量)时,就会出现“无法再进行重写”的情况——实际上宇宙的某些部分无法再进步,时间就在那里“停止”。这类似于传统广义相对论中在类空奇点(通常与黑洞相关)发生的情况。但现在它有一个非常直接的计算解释:人们已经到达一个“固定点”,在该点上不再需要进行计算。因此时间上没有任何进展。
多重时间线
我们人类的强烈经验是时间以单线程的方式前进。但现在我们的物理项目表明,从根本上讲,时间实际上是多线程的,或者换句话说,宇宙遵循着许多不同的“历史路径”。而且,正是因为我们作为观察者采样事物的方式,我们才会将时间视为单线程。
在特定底层超图的层面上,关键在于可能会发生许多不同的更新事件,并且此类更新事件的每个序列都定义了不同的“历史路径”。我们可以将所有这些历史路径总结为一个多路图,其中我们合并出现的相同状态:
但既然有了这个底层结构,为什么我们作为观察者会相信时间是单线前进的呢?这一切都与分支空间的概念以及我们在分支空间中的存在有关。历史的多种路径的存在导致了量子力学的出现;我们作为观察者最终只感知到一条路径,这一事实与量子力学中传统上相当神秘的“测量”现象有关。
当我们在上面讨论因果图时,我们说过我们可以将它们“解析”为一系列与瞬时“空间状态”相对应的“空间类”切片——由空间超图表示。通过类比,我们可以类似地想象将多路图分解为“瞬时切片”。但现在这些切片并不代表普通空间的状态;相反,它们代表我们称之为分支空间的状态。
普通空间是通过更新对其他事件有因果影响的事件而“编织在一起”的,这些事件可以被认为是“位于空间中的不同位置”。(或者,换句话说,空间是由不同事件的基本光锥的重叠编织在一起的。)现在,我们可以认为分支空间是通过更新对最终出现在历史不同分支上的事件有影响的事件而“编织在一起”的。
(一般来说,普通空间和分支空间之间存在着密切的类比,我们可以定义一个包含“空间状”和“分支状”方向的多向因果图——其中分支状方向支持的不是光锥,而是我们所谓的纠缠锥。)
那么,作为观察者,我们该如何分析正在发生的事情呢?关键在于,我们不可避免地是所观察系统的一部分。因此,整个系统中发生的分支(和合并)也在我们体内发生。这意味着我们必须问“分支思维”将如何看待分支宇宙。在这之下,有很多分支,也有很多“历史线索”。并且存在许多计算不可约性(甚至可以称为多计算不可约性)。但像我们这样计算受限的观察者必须将大多数细节等价起来,才能得到“适合我们有限思维”的东西。
我们可以将其与气体中发生的事情进行类比。气体之下,有许多分子四处跳跃(并以计算上不可简化的方式运行)。但像我们这样的观察者与分子相比规模巨大,而且(由于计算受限)我们无法感知它们的个体行为,只能感知它们的总体行为——从中我们可以提取一组计算上可简化的“流体动力学级”特征。
空间的底层结构也基本如此。底层是一个不断变化、由空间离散原子组成的网络。但作为大型、计算受限的观察者,我们只能对许多细节等同的聚合特征进行采样,而这些特征中的空间往往看起来是连续的,并且基本上可以用计算简化的方式进行描述。
那么分支空间又如何呢?嗯,这基本上是同一个故事。我们的思维“很大”,因为它们跨越了许多单独的历史分支。而且它们受到计算的限制,所以它们无法感知所有这些分支的细节,而只能感知某些聚合特征。在初步估计中,随后出现的实际上是一条聚合的历史线索。
通过足够仔细的测量,我们有时可以看到“量子效应”,其中存在多条历史线索。但从人类的直接角度看,我们似乎总是将事物聚合到我们所感知的只是一条历史线索的程度——或者实际上是一条时间进步的线索。
目前还不清楚这些“聚合”是否会奏效。我们感知到的气体中的重要效应可能取决于单个分子层面的现象。或者,为了理解空间的大规模结构,我们必须不断思考空间原子的详细特征。或者,同样地,我们永远无法保持“一致的历史观”,而是必须一直追踪大量单独的历史线索。
但关键在于,为了保持计算受限的观察者身份,我们必须只挑选出那些可通过计算简化的特征,或者实际上是可有限简单描述的特征。
与我们的计算有界性密切相关的是,我们做出的重要假设是,作为观察者,我们具有一定的持久性。在每一个时刻,我们都是由空间的不同原子和多路图中的不同分支构成的。然而,我们相信我们仍然是“同一个我们”。而关键的物理事实(必须在我们的模型中推导)是,在一般情况下,这样做并不存在矛盾。
因此,结果是,即使在最低层次上存在许多“时间线程”——代表许多不同的“量子分支”——像我们这样的观察者(通常)仍然可以成功地将其视为单一一致的感知时间线程。
但这里还有另一个问题。说一个观察者(比如说一个人的大脑或一个测量设备)能够感知到历史遵循单一、一致的线索是一回事。但不同的人脑或不同的测量设备呢?他们为什么要感知任何一致的“客观现实”呢?
我认为,答案本质上在于,它们在鳃空间中都足够接近。如果我们考虑物理空间,宇宙不同部分的观察者显然会“看到不同的事情发生”。“物理定律”可能相同——但附近的恒星(如果有的话)会有所不同。然而(至少在可预见的未来)对于我们所有人类来说,附近的恒星始终是同一颗。
大概在鳃空间也是如此。我们人类——有着共同的起源——存在于某个小块区域。大概是因为这个区域相对于整个鳃空间来说很小,所以我们所有人都能感受到一条连贯的历史线索和一个共同的客观现实。
这其中有许多微妙之处,其中许多尚未完全解决。在物理空间中,我们知道效应原则上可以以光速传播。在鳃空间中,类似地,效应可以以最大纠缠速度传播(我们不知道其值,尽管它与普朗克单位转换的基本长度和基本时间相关)。但为了保持我们对宇宙的共同“客观”看法,至关重要的是,我们不会以光速朝着不同的方向发展。当然,不会发生这种情况的原因是我们的质量不是零。事实上,非零质量可能是我们这样的观察者的一个关键部分。
在我们的物理项目中,超图中事件的密度大致决定了物理空间中能量(和质量)的密度(及其相关的引力效应)。同样,多路图中(或分支图切片中)事件的密度大致决定了分支空间中作用的密度(相对论不变的能量模拟)(及其对量子相位的影响)。虽然目前还不完全清楚这是如何运作的,但似乎再次出现这种情况:当有质量时,效应不会“以最大纠缠速度在所有方向上传播”,而是停留在附近。
“停留在同一个地方”、相信自己是持久的和计算受限之间肯定存在联系。但这些似乎是我们将时间视为单线程的典型观点所必需的。原则上,我们可以想象与我们截然不同的观察者——比如说,他们的心智(就像理想化的量子计算机内部)能够体验许多不同的历史线索。但计算等价原理表明,这样的观察者有一个很高的标准。他们不仅需要能够处理计算不可约性,还需要处理多计算不可约性,其中包括计算新状态的过程和等价状态的过程。
因此对于“与我们相似”的观察者来说,我们可以预期时间将再次趋向于像我们通常体验到的那样,遵循单一线索,在观察者之间保持一致。
(值得一提的是,所有这些只对我们这样的观察者有效,“在我们这样的处境下”。例如,在黑洞的“纠缠视界” ——多向因果图中的分支边缘被“困住”——我们所知的时间在某种意义上“瓦解”,因为观察者无法将历史的不同分支“编织在一起”,以“形成关于所发生的事情的一致的经典思想”。)
鲁里亚德的时光
在我们迄今为止的讨论中,我们可以认为时间的进展与规则的反复应用有关,这些规则逐渐“改写宇宙的状态”。在上一节中,我们看到这些规则可以以许多不同的方式应用,从而产生许多不同的历史基本线索。
但到目前为止,我们想象所应用的规则总是一样的——这给我们留下了一个谜团:“为什么是这些规则,而不是其他的?”但这就是规则的用武之地。因为规则并不涉及这种看似任意的选择:它是通过遵循所有可能的计算规则而得到的结果。
我们可以想象出许多 ruliad 的基础。我们可以从所有可能的超图重写中构建它。或者所有可能的(多路)图灵机。但最终它是一个单一的、独一无二的东西:所有可能的计算过程的纠缠极限。在 ruliad 中,有一种“一切都可能发生”的感觉。但 ruliad 结构是,有一种明确的(本质上是几何的)方式来排列和连接所有可能发生的不同事情。
那么,我们对鲁里亚德的感知是什么?我们不可避免地是鲁里亚德的一部分——所以我们“从内部”观察它。但关键点在于,我们对它的感知取决于我们作为观察者的状态。过去几年,我最大的惊喜是,即使只是对我们作为观察者的状态进行一点点假设,也会立即意味着我们对鲁里亚德的感知遵循我们已知的核心物理定律。换句话说,通过假设我们作为观察者的状态,我们实际上可以推导出我们的物理定律。
所有这些的关键在于 ruliad 中潜在行为的计算不可约性与我们作为观察者的计算有界性(以及我们对持久性的相关假设)之间的相互作用。正是这种相互作用为我们提供了统计力学中的第二定律、时空结构的爱因斯坦方程以及(我们认为的)量子力学中的路径积分。实际上,发生的事情是,我们作为观察者的计算有界性使我们将事物等价化,以至于我们只对 ruliad 的计算可约化片段进行采样,其特征可以使用可识别的物理定律来描述。
那么时间在所有这些中处于什么位置呢?ruliad 的一个主要特征是它是独一无二的——并且关于它的一切都是“抽象必然的”。就像给定数字、加法和等式的定义,必然会得到 1 + 1 = 2 一样,同样地,给定计算的定义,必然会得到 ruliad。或者换句话说,ruliad 是否存在是毫无疑问的;它只是一个抽象结构,必然会从抽象定义中得出。
因此,从某种程度上来说,这意味着鲁里亚德不可避免地只是“作为一个完整的东西而存在”。因此,如果一个人可以“从外部观察它”,他就可以把它看作是一个单一的永恒物体,没有时间概念。
但关键在于,我们无法“从外部观察它”。我们嵌入其中。而且,我们必须通过计算边界的“镜头”来观察它。这就是为什么我们最终不可避免地会产生时间概念。
我们从某个点观察鲁利亚德。如果我们不受计算限制,那么我们可以立即计算出整个鲁利亚德是什么样子。但实际上,我们只能“一次一个计算限制的步骤”发现鲁利亚德——实际上是逐步应用有限制的计算来“穿越鲁利亚空间”。
因此,尽管从某种抽象意义上来说“整个规则已经存在”,但我们只能一步步探索它。这就是我们拥有时间概念的原因,我们通过时间“进步”。
不可避免地,我们可以沿着许多不同的路径穿越统治空间。事实上,每个人的思想(以及像我们这样的每个观察者)——都有自己独特的内在体验——可能都会走不同的路。但就像我们描述的鳃空间一样,我们之所以对“客观现实”有共同的看法,大概是因为我们在统治空间中都彼此非常接近;我们在某种意义上形成了一个紧密的“统治群体”。
值得指出的是,我们能方便地获取的规则样本并非都与探索时间的渐进片段相对应。是的,那种“时间上的渐进”是我们物理体验的特征,也是我们描述它的典型方式。但我们的数学体验又如何呢?
首先要指出的是,正如鲁利亚德包含所有可能的物理一样,它也包含所有可能的数学。如果我们从超图构建鲁利亚德,那么节点现在就不是“空间原子”,而是抽象元素(我们一般称之为 emes),它们构成了数学表达式和数学定理的片段。我们可以认为这些抽象元素现在不是在物理空间中布局,而是在某种抽象的元数学空间中布局。
在我们的物理体验中,我们倾向于局限于物理空间、鳃空间等。但在“做数学”时,我们更像是在元数学空间中逐渐扩展,开辟出一些“我们假设为真的定理”的领域。虽然我们可以确定某种“扩展路径”来定义某种时间模拟,但这并不是我们探索规则的必要特征。
从某种意义上说,ruliad 中的不同位置对应于使用不同规则描述事物。并且通过类比物理空间中的运动概念,我们可以通过将一组规则所做的计算转换为另一组规则所做的计算,有效地从 ruliad 中的一个位置“移动”到另一个位置。(是的,甚至存在“纯运动”的可能性也并非易事。)但如果我们确实保持在 ruliad 中的局部(并且可以保持我们所认为的“连贯身份”),那么很自然地会想到存在一条“运动路径”,我们沿着这条路径“随着时间”前进。但是,当我们只是“扩大视野”以包含更多范式并将更多规则空间带入我们思想所涵盖的范围时(因此实际上我们是在“在规则空间中扩展”),情况就不一样了。我们并不认为自己“为了移动而进行计算”。相反,我们只是在寻找等价性,并利用它们来扩展我们对自己的定义,这至少是我们可以近似地(就像传统物理学中的“量子测量”)发生在“时间之外”的事情。但最终,发生的一切都必须是计算的结果。只是我们通常不会将它们“打包”到我们可以描述的确定的时间线中。
那么时间到底是什么?
从我们在此讨论的范式(和物理项目理念)来看,“时间是什么?”这个问题在某种程度上很简单:时间就是人们应用计算规则时所取得的进展。但关键在于,时间实际上可以抽象地定义,独立于这些规则的细节或应用这些规则的“基底”。而使这成为可能的是计算等价原理,以及它所隐含的普遍存在的计算不可约性现象。
首先,时间可以被稳健地看作是“进步的”,实际上是一个线性链,这是计算不可约性的结果——因为计算不可约性告诉我们,像我们这样的计算有限的观察者一般不能“跳跃式前进”;我们只需要遵循线性的步骤链。
但还有别的。计算等价原理意味着,在某种意义上,只有一种(普遍存在的)计算不可约性。因此,当我们观察遵循不同不可约计算规则的不同系统时,它们所做的事情不可避免地具有一定的普遍性。实际上,它们都以相同的方式“积累计算效果”。或者本质上以相同的方式随着时间而进步。
这与热量非常相似。可能存在详细的分子运动,即使是大规模的分子运动,在不同的材料中也会有明显的不同。但事实上,我们最终能够通过说它代表一定量的热量来描述任何这样的运动,而不必了解更多细节。这与能够说已经过去了多少时间非常相似,而不必了解某个时钟或其他反映时间流逝的系统是如何工作的细节。
事实上,这里不仅仅是一个“概念类比”。因为热现象又是计算不可约性的结果。而对它有一个统一的“抽象”描述,这是计算不可约性的普遍性的结果。
不过,值得再次强调的是,就像热量一样,时间概念的稳健性取决于我们是否是计算受限的观察者。如果我们不是,那么我们可以通过对分子过程进行详细计算来打破第二定律,而我们不会仅仅用随机性和热量来描述事物。同样,我们能够打破时间的线性流动,要么向前跳跃,要么遵循不同的时间线索。
但是,作为计算不可约过程的计算受限观察者,我们基本上不可避免地——至少在很大程度上——会将时间视为形成单一一维线程的东西。
在传统的数学科学中,人们常常认为目标应该是“预测未来”——或者实际上是“超越时间”。但计算不可约性告诉我们,一般来说我们无法做到这一点,而找出将会发生什么的唯一方法就是运行与系统本身相同的计算,基本上是一步一步地进行。但尽管这似乎是对科学力量的失望,但我们也可以将其视为赋予时间意义和重要性的东西。如果我们总是能够向前跳跃,那么在某种程度上,时间的流逝(或者说,通过我们的生活)从根本上就不会取得任何成就;我们总是能够说出将会发生什么,而不必“经历”我们是如何到达那里的。但计算不可约性赋予了时间及其流逝的过程一种坚硬、有形的特性。
那么,这一切对于通常讨论时间时出现的各种经典问题(和明显的悖论)意味着什么呢?
让我们从可逆性问题开始。传统物理定律基本上适用于时间的正向和反向。而规则在“正向”和“反向”规则之间必然是对称的。那么为什么在我们的典型体验中,时间似乎总是“朝着同一个方向运行”呢?
这与第二定律密切相关,而且它又是我们的计算有界性与底层计算不可约性相互作用的结果。从某种意义上说,时间的方向取决于我们(通常)发现记住过去比预测未来要容易得多。当然,我们不会记得过去的每一个细节。我们只记得相当于某些“过滤”特征的东西,这些特征“适合我们有限的思维”。而在预测未来方面,我们受限于无法“超越”计算不可约性。
让我们回顾一下第二定律是如何运作的。它基本上是说,如果我们设置某种“有序”或“简单”的状态,那么它将倾向于“退化”为“无序”或“随机”的状态。(我们可以将系统的演化视为有效地“加密”我们起始状态的规范,直到我们——作为计算受限的观察者——无法再识别其有序的起源。)但由于我们的基本定律是可逆的,这种退化(或“加密”)必须在我们向前和向后的时间中发生:
但关键在于,我们对时间方向的“经验”定义(其中“过去”是我们记得的,“未来”是我们难以预测的)不可避免地与我们在整个世界上观察到的时间的“热力学”方向相一致。原因是,在这两种情况下,我们都将过去定义为计算上有界的东西(而未来可能是计算上不可约的)。在经验情况下,过去是计算有界的,因为那是我们能记得的。在热力学情况下,过去是计算有界的,因为那些是我们可以准备的状态。换句话说,“时间之箭”是一致的,因为在这两种情况下,我们实际上都在“要求过去更简单”。
那么时间旅行又如何呢?如果人们认为“时间就像空间一样”,那么时间旅行似乎是一个自然而然的概念,甚至可能是不可避免的。但是,当我们以我们在这里所采用的方式思考时间时,它就变得不那么自然了:时间是一个应用计算规则的过程。
事实上,在最低层次上,这些规则按照定义只是按顺序应用,产生一个又一个状态——实际上是“随着时间的推移朝着一个方向发展”。但如果我们不仅考虑原始的最低层次的规则,还考虑我们可能实际观察到的它们的影响,事情就会变得更加复杂。例如,如果规则导致的状态与它们之前产生的状态相同(例如,在具有周期性行为的系统中发生的情况)?如果我们将现在的状态与之前的状态等价(因此我们将两者都表示为一个状态),那么我们最终会在因果图中得到一个循环(“封闭的时间曲线”)。是的,就应用规则的原始顺序而言,这些状态可以被认为是不同的。但关键是,如果它们在每个特征上都相同,那么任何观察者都会不可避免地认为它们是相同的。
但这种等效状态真的会发生吗?一旦存在计算不可约性,状态就无法完美匹配,这基本上是不可避免的。事实上,对于包含像我们这样的观察者(具有“记忆”等)的状态而言,它们基本上不可能匹配。
但是,我们能想象一个观察者(或“时间飞船”)会导致匹配的状态吗?也许它可以以某种方式仔细挑选特定的空间原子序列(或基本事件),使其进入“以前发生过”的状态。事实上,在计算简单的系统中,这可能是可能的。但一旦存在计算不可约性,我们就不能指望任何计算受限的观察者能够做到这一点。是的,这与为什么不能有一个“违反第二定律”的“麦克斯韦妖”观察者直接类似。或者,为什么不能有某种东西小心翼翼地导航空间的最低级结构,从而有效地以比光速更快的速度传播。
但即使无法进行“观察者的时间倒流”的时间旅行,“感知时间”仍会发生变化,比如由于与运动相关的相对论效应。例如,一个经典的相对论效应是时间膨胀,当物体运动得更快时,“时间会变慢”。是的,给定某些假设,可以简单地用数学方法推导出这种效应。但在我们努力理解时间的本质时,我们会问它的物理机制是什么。事实证明,在我们的物理项目中,它有一个令人惊讶的直接——几乎是“机械的”——解释。
首先,在我们的物理项目空间中,空间及其中的一切都由一个不断被重写的超图表示。任何物体随时间的演变都是由这些重写定义的。但如果物体移动,那么实际上它必须“在空间的不同位置重新创建”——这个过程需要一定数量的重写,留给物体本身的内在演变的重写就更少了,从而导致时间实际上“运行得更慢”。(是的,虽然这是一个定性的描述,但我们可以让它变得非常正式和精确,并恢复相对论时间膨胀的通常公式。)
引力场也发生了类似的事情。在我们的物理项目中,能量动量(以及引力)实际上与底层超图中的更大活动相关。这种更大活动的存在会导致更多的重写,导致该空间区域内任何物体的“时间流逝得更快”(对应于传统的“引力红移”)。
更极端的情况发生在黑洞中。(事实上,人们可以粗略地把类空间奇点想象成“时间过得如此之快以至于它结束了”的地方。)一般来说——正如我们上面所讨论的——有许多“相对论效应”,其中空间和时间的概念以各种方式混合在一起。
但即使在更平凡的层面上,对于我们这样的观察者来说,空间和时间之间也存在着某种至关重要的关系。关键在于,像我们这样的观察者倾向于将世界“解析”为连续“时间时刻”的一系列“空间状态”。但我们这样做的事实取决于我们的一些非常具体的特征,特别是我们在空间中相对于时间的有效物理尺度。
在日常生活中,我们通常会看到距离我们几十米远的物体。考虑到光速,这些物体发出的光子不到一微秒就能到达我们。但我们的大脑需要几毫秒的时间才能记录下我们所看到的东西。正是这种时间尺度的差异让我们认为世界是由连续时刻的一系列空间状态组成的。
如果我们的大脑“运行”得更快一百万倍(即以数字电子设备的速度),我们就会感知到光子在不同时间从场景的不同部分到达,而且我们大概不再从连续时间存在的空间整体状态来看待世界。
如果我们保持大脑的速度相同,但处理更大规模的场景(就像我们处理航天器、天文学等时所做的那样),也会发生同样的事情。
但尽管这会影响我们认为时间“作用于”的东西,但它最终并不影响时间本身的性质。时间仍然是产生世界连续状态的计算过程。计算不可约性赋予时间一定的刚性特征,至少对于像我们这样受计算限制的观察者来说是这样。计算等价原理允许存在一个独立于所涉及的“基质”的稳健时间概念:无论是我们作为观察者,日常物理世界,还是整个宇宙。