时间的本质是？

中科院物理所 2023-10-15

The following article is from 原理 Author 新原理

破晓时分，曙光照进了古老的洞穴，唤醒了我们的祖先。在苏醒之后，他产生了一种似曾相识的感觉。也许，在那恍惚的时刻，那种新奇的意识让他顿悟到了自然界固有的周期性——太阳又再次升起了。从数千年前的那一天起，人类开启了对时间永恒的追求。

在2023年的今天，如果想要知道时间，我们只需查看一下智能手机上的时间，手机与网络同步，网络又与一个原子钟同步。最终，我们所读取的时间是极其精确的。事实上，如果用现有的最好的原子钟从宇宙诞生之初就开始计时到现在，最终的计时误差也不过半秒。

然而，即便如此，我们仍需谦卑地承认，我们并不知道我们所衡量的时间是自然的物理定律所固有的实体，还是人类创造的虚构之物。

时间流动的哲学思考

我们对时间流动的理解，始于对自然界中可观测周期间的相互关系的理解。在人类的历史进程中，思想家、哲学家和科学家依据我们的所看与所测提出了有关时间的理论。

一万多年前，最早的一批农民利用星座的周期性来预测季节，安排满月之夜进行夜间工作。到了约公元前1500年，对自然周期的更精细追求，激发了人们建造出日晷和水钟等仪器。现代时钟普遍具有的圆形表盘就承自日晷。

太阳阴影在水平面上的投影是呈周期性变化的，可在日晷上用来计时。（图/新原理研究所）

生活在公元前4世纪的柏拉图认为，我们是一个搅动时间的巨大机器的一部分，当行星的结构恢复到最初状态时，一切都会重新开始。这种时间循环的观点至今仍有它的追随者。一些现代宇宙学家也认为，宇宙有一个“循环的命运”，它会经历反复的膨胀和收缩周期，而目前我们正处于加速膨胀的阶段。

“宇宙的终极命运”所呈现的几个模型之一：膨胀与收缩循环往复，直到永远。（图/新原理研究所）

然而，柏拉图的学生亚里士多德对时间却有不同的看法。他把时间视作为一种运动属性，是对变化的一种度量。对他而言，时间不是独立存在的。他把时间称为“连续运动的计数”或“相比于之前与之后的变化次数”。他认为，由于时间本质上是对变化的度量，因此它需要一个能够对运动进行“编号”的能力存在。

与此同时，他还质疑时间的真实性：如果时间是由两种被“虚无”（瞬间消失的当下，即“现在”）分开的不存在（过去和未来，即“不再”与“尚未”）构成的，那么我们怎么能说时间真的存在呢？

其实，自公元前6世纪起，时间是一种幻觉这种想法就成了佛教哲学中的一个共同主题。在现代科学时代，自从约翰·惠勒（John Wheeler）和布莱斯·德维特（Bryce DeWitt）在1967年提出惠勒-德维特方程以来，一些物理学家开始相信时间可能并非自然的基本现象，而是一种涌现现象。因此，那些将我们引领到今天这一步的科学思想，是值得被追溯与探究的。

测量时间的流动

我们通常将现代科学的第一次重大飞跃归功于意大利物理学家和数学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）。伽利略在比萨大教堂中观察青铜吊灯的摆动，并将它的周期性运动与自己脉搏的规律跳动作比较，从而开启了他对时间的研究。伽利略意识到，吊灯完成一次摇摆所出现的脉搏搏动次数，并没有随吊灯运动的减弱而减少，而是几乎保持不变。这是一项非常重要的发现，时间流动的科学从那刻开始发生变化。

17世纪末，荷兰发明家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）运用伽利略的发现，发明了摆钟。随着时间的推移，时钟的精确程度开始允许分针出现在钟面之上。在一段漫长的岁月里（直到1927年），摆钟一直是最精确的时间测量器。但摆钟无法用于摇晃的船只甲板上，因此我们又发展出了航海用的计时器。这些便携、精确的计时器加速了大航海时代和殖民时代。

时间的同时性与相对性

大约就在那时，牛顿观察到了苹果的下落。他在《自然哲学的数学原理》开篇的注释写下了他对时间的观点：绝对的、真实的和数学的时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀流动的，它不依赖于任何外界事物，因此也就不涉及时间（如小时、日、月、年）的任何变化或测量方法。

他认为绝对时间是可测量却无法察觉的，只能通过数学才可真正理解。一维的绝对时间和宇宙的三维几何是客观现实的独立而分离的两个方面，在绝对时间的任何一点上，宇宙中的所有事件都是同时发生的。

到了20世纪初，爱因斯坦在狭义相对论中将同时性的概念从牛顿学说的基础上推翻。根据相对论，同时性并非事件之间的绝对关系；在一个参照系中同时存在的东西，在另一个参照系中未必同时存在。按照爱因斯坦的说法，宇宙中不存在一个单独的计时员；事件发生的精确时间取决于一个人相对于所观测事物的精确位置。

为了理解同时性的相对性，我们可以思考这样一个例子：想象有一辆高速行驶的火车经过一个站台，一位观察者坐在火车车厢之中，另一位观察者站在站台上。就在两个观察者擦肩而过时，一道闪光从车厢的正中央发出。对于火车上的观察者来说，火车的前后与光源的距离是固定的，因此对他来说光线会同时到达车头和车尾。另一方面，对于站在站台上的观察者而言，车尾正朝着闪光发出的点移动（迎头赶上），而车头则朝着远离光源的方向移动。由于光速是一个有限值，而且对于所有的观察者来说，它在各个方向上都是一样的，所以朝向列车后部的光所要覆盖的距离要比朝向列车前方的光更短。因此，闪光会在不同的时间击中火车车厢的两端。这样一来，对火车车厢内的观察者来说，同时发生的闪光对车外的观察者来说并不是同时发生的。

列车-站台实验：（左）列车上的观测者的参考系；（右）站台上的观测者的参考系。（图/新原理研究所）

对于以不同速度运动的观察者来说，观测到的这种时间差异被称为时间膨胀。虽然这听起来有悖直觉，但通过对飞机和卫星上的原子钟进行地精确测量，时间膨胀已在实验中得到了验证。

这个理论，无论在概念还是实践上，都允许穿越到未来的时间旅行。如果你“走”的足够快，就能以“每小时超过1小时”的速度穿越到未来。若我们想要明显地观察到这种时间旅行，就必须以非常快的速度（接近光速）运动。

宇宙射线中的μ子是一种非常不稳定的亚原子粒子，平均寿命为2.2微秒。它们产生于高层大气中，计算表明它们在衰变之前只能够飞行660米，但时间膨胀的效应使得宇宙射线中的μ介子能飞越100多千米后抵达地球表面。在地球的参照系中，μ子因高速运动而获得了更长的半衰期。因此，大约每秒钟就有一个μ子会穿过我们的手掌。

时间与空间

1907年，爱因斯坦曾经的老师赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）将时间和空间结合成一个名为时空的四维连续体。时空就好比是宇宙中的粒子相对于其他粒子运动的舞台。当粒子处于相同的时空位置时，它们可以相互作用。然而，这个版本的时空是不完整的，因为它没有囊括引力，直到1916年，爱因斯坦提出了广义相对论。

时空的结构是连续的、光滑的，当有物质和能量存在时，时空会发生弯曲和变形。广义相对论告诉我们，我们所体验到的引力，实际上是时空的弯曲。引力是宇宙的曲率，它是由大质量物体和其他形式的能量引起的，这些能量决定了物体运动的路径。曲率是动态的，随着这些物体的运动而运动。用物理学家惠勒的话总结来说就是：

时空告诉质量如何运动，质量告诉时空如何弯曲。

重物弯曲了四维的时空结构。（图/新原理研究所）

广义相对论还解释了，对于身在一个引力场之外的观察者而言，一个物体的时间流动是如何因这个引力场而减缓的。在日常生活中，为我们导航的GPS卫星既要应用狭义相对论，也要应用广义相对论，这样才能使卫星上的时钟与地球上的时钟同步。卫星会向GPS接收器发射时间信号，GPS接收器通过测量信号达到接收器的时间来确定其与卫星之间的距离。即使是微小的偏差，也会随着时间累积导致地面导航出现重大错误。因此，要获得精确的定位系统，不仅需要考虑到卫星绕地球轨道的运行速度，也要考虑到轨道卫星和地面接收器的时空曲率的差异。

现在，让我们试想在具有强大引力的极端环境下的情况。以黑洞为例，在外部的观察者看来，当一个坠入黑洞的物体在接近黑洞的事件视界时，速度会放慢，并且需要无限的时间才能抵达事件视界。对于事件视界之外的观察者而言，物体看起来永远地停在了事件视界之处。然而，对于坠入黑洞的观察者而言，时间看起来在正常流动。从他的角度来看，哪怕是最巨大的黑洞，他也能在很短的时间内就抵达中心的奇点。

时空中也可能存在着让时间机器得以运行的潜在扭曲。一些科学家喜欢“虫洞”的概念，它可被当作为穿越时空的捷径。当要连接两个因果上不相连的区域时，虫洞不仅有可能连接宇宙中的两个不同位置，而且还有可能连接时间上不同的两个位置。如果可以穿越这样的虫洞，那么回到过去就有可能在现实中实现。虽然理论上这听起来可行，但目前在宇宙中并未发现任何虫洞存在的证据。

时空中的捷径——虫洞。（图/新原理研究所）

我们从未真正见过时间

我们总会用现有的最优技术来测量时间的流动，并定义它的通用标准。国际标准的时间单位是秒，它的定义也一直在演变——先是太阳日的一小部分，然后变成了星历年的一小部分，再到现在量子时代的“原子”秒。自1967年以来，1秒就被定义为与铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间。我们的工具在理解时间概念上对我们的想象力进行了补充。在过去的一个世纪里，我们越来越多地透过量子物理来审视时间。

量子力学认为，在一个选定的静止框架中，时间的流动是普遍且绝对的；而广义相对论则认为，时间的流动是可塑而相对的。在20世纪60年代，量子力学和广义相对论这两个不相容的理论被成功地结合了起来，得出了惠勒-德维特方程。

这个方程解决了一个问题，但又产生了另一个问题。在这个方程中，时间没有任何作用。这在物理学家中引发了一个巨大的难题，被称为“时间问题”。这是否意味着时间在自然法则中没有意义？意大利理论物理学家以及《时间的秩序》一书的作者卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）对此表示了强烈的看法：

我们从未真正见过时间。我们看到的只是时钟。如果你说这个物体在移动，你真正的意思是当你的时针指在这一处时，这个物体在这里。我们说用时钟来测量时间，但我们看到的只是时针，并非时间本身。而时针和其它东西一样只是物理变量。所以在某种意义上，我们是在糊弄，因为我们真正观察到的是物理变量作为其他物理变量的函数，但我们把它描绘成一切都在随时间变化。

当“整体比部分之和更大”时，涌现出现了，意味着整体拥有部分所不具有的性质。而这些性质的产生是由各部分之间的相互作用所产生的。雪花中复杂且对称的分形图案的形成，说明了物理系统的涌现。（图/新原理研究所）

惠勒-德维特方程引发的思考是，我们必须停止这个游戏。我们应该描述变量之间是如何相互联系的，而不应该引入时间——这个本就不可观测的虚构变量。问题是，时间是现实的基本属性还是只是事物的宏观呈现？我认为这只是一个宏观效应，它只在宏观的事物中出现。

加州理工学院的宇宙学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）认为，思考时间是否真实这一问题是徒劳无益的。对于科学探索来说，一个值得思考的问题是时间是涌现的还是基本的。温度和压强不会因为我们把它们理解为基础的原子描述的涌现属性而变得不再真实。

这或许是有关于时间最大的悬而未决的问题，但它远非唯一的时间难题。

时间之矢

紧随其后的另一个问题，便是一个自19世纪以来就困扰着哲学家和物理学家的奇怪事实：物理学定律无法解释为什么时间总是指向未来。如果时间能够倒流的话，那么所有的基本定律——无论是牛顿定律，还是爱因斯坦的理论或者是量子法则——在逆向运作时也都同样有效。

另一方面，在我们体验到的世界中，时间是有一定方向的。我们出生、老去、死亡，鸡蛋破碎，液体混合，办公室总是趋于变得更加混乱——而不是相反。然而，就我们目前所知，时间是单向的，它从未出现过逆转。这种单向行为只存在于一个科学定律中，那就是热力学第二定律。

该定律告诉我们，在孤立的系统中，熵通常只会随时间增加，不会减少。熵可以被看作是系统所包含的无序或信息的一种度量；因此，第二定律暗示着，在孤立系统中，时间相对于有序的量是不对称的：一个随着时间推移而前进的系统，它在统计上会变得更加无序。将一块冰块放入热咖啡中，会在咖啡冷却的同时加热了冰块。但这一过程是不可逆转的：这是一条单行道。但热力学第二定律却不能告诉我们这是为什么。

逆转时间的箭头就相当于降低熵降。在19世纪的一个思想实验中，一个名叫麦克斯韦妖的淘气小鬼拥有一种非凡的能力。在一个带有隔板的盒子中充满了气体分子，这只小妖却能知道每个气体分子的位置和速度，并能将它们分离。在隔板上有一个洞，小妖可以操纵洞上的小门。它会将能量高的分子限制在门的一边，能量低的聚集在门的另一边。结果发现，在这个过程中，小妖必须消耗能量并提高自己的熵，来确保宇宙的总熵仍是上升的。

麦克斯韦妖的示意图，红点代表比蓝点能量更高的分子。（图/新原理研究所）

几年前，有一项实验称他们在大约60个原子上复制了麦克斯韦妖，使系统的熵降低了2.44。这在量子计算机领域具有巨大的应用潜力。如果麦克斯韦妖可以在经典尺度上复制，那么我们或许就可以讨论时间逆转在热力学上的可行性，但这仍可能无法让我们再次经历昨天。这关系到一个不同的时间概念——时间的感知箭头，也就是人类心理上对时间的感知。

我们能够记住的，都已成为往事。如果能让我们“此刻”记住的事情比“之前”的时刻更多，那么可以说我们随时间向前了。我们似乎能够记住我们是否知道一些“过去”的事情。我们似乎也能够以某种精确度来预测未来发生的事情，但我们仍缺乏对未来的完整认识。

心理上的时间流动与人类的记忆以及我们对因果的感知紧密相连。它在很大程度上受脑中多巴胺水平的影响。在一些有帕金森症、精神分裂症和注意力缺陷多动障碍（ADHD）等能影响多巴胺水平的受试者身上，已经观察到了时间知觉障碍。

量子时空

在物理学中，我们还没能根据实验证据建立起热力学箭头和时间感知箭头之间的关系，但有几种可能的理论或许能够提供解决方案。

那些赞同量子力学的哥本哈根诠释的人认为，量子进化是由薛定谔方程所支配的。薛定谔方程是时间对称的，而量子的时间箭头的不可逆性源自于波函数的坍缩。在量子力学的世界中，当熵改变时流动的不是热量，而是信息。一些量子物理学家声称已经找到了时间箭头的基本来源。他们认为，之所以能量会分散，物体会平衡，是因为基本粒子相互作用时会相互纠缠——也就是被称为“量子纠缠”的奇怪效应。

“量子纠缠”最初出现在科学领域中，是源于爱因斯坦和他的同事们提出的一个思想实验。他们发现了潜伏在量子力学方程中的量子纠缠，并意识到了它的奇异之处。它描述了无论粒子相距多远，却总能神秘地交织在一起。爱因斯坦和他的同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和纳森·罗森（Nathan Rosen）发表了一篇论文，以探讨当思考量子纠缠的含义时出现的悖论。他认为这样的行为是不可能的，因为它违背了局域现实的因果关系——相隔遥远的粒子怎么能做到瞬间相互影响。因此他们认为量子力学并不完备。

1964年，爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Stewart Bell）设计了一项实验测试，推翻了爱因斯坦所相信的粒子之间存在预先理解的理论。因此，普遍的理解是，在纠缠粒子之间，信息的确以能超越光速的速度在传播。假设纠缠的粒子被分开数光年远，那么它们也能即刻共享信息。两个事件不仅可以在时间上相互关联——将较早的事件与较晚的事件联系起来，而且还能以一种无法判断哪个事件更早、哪个更晚的方式相互关联。如此看来，纠缠粒子之间并不存在时间。

维也纳大学研究量子信息的物理学家查斯拉夫·布鲁克纳（Caslav Brukner）说：“有了时空，就有了一个明确的因果顺序，但如果没有一个明确的因果顺序，那么也就没有时空。”一些物理学家将此作为一种深刻的非直觉性的世界观的证据。在这种世界观中，量子关联比时空更基本，而时空本身是由事件之间的关联建立起来的。

“单波道”贝尔测试的简化版示意图：源S产生成对的“光子”，朝相反的方向发送。每个光子都会遇到一个单波道偏振器，其方向可由实验者设定。（图/新原理研究所）

麻省理工学院的物理教授赛思·劳埃德（Seth Lloyd）对此发表了观点：“现在”可以通过与我们周围环境的相互关联、相互纠缠的过程来定义。那么时间之箭，就是一支不断增强相关性的箭。

人类的永恒追求

在人类生活在地球的这段时间里，我们一直渴望增强理论和实验与自然之间的相关性。相关性越大，我们对宇宙的理解就越好，我们的生存机会也就越大。科学的核心本质是提出理论，并作出符合（经过了时间检验的）观测结果的预测。

时间是科学进程的中心。对自然界周期性的理解曾帮助我们发展了农业，让我们在恶劣的条件下生存，还带来了工业革命，这些都显著延长了我们在地球上生存的时间。没有别的生物能像人类所做的那样去延长自身的平均寿命。在意识到了人生的极限之后，我们学会了保留和传承我们的学问、知识和方法，所以我们的后代不会从一张白纸开始。

在过去的400年里，我们从观察时钟的摆动，到探索宇宙的命运以及我们在宇宙中的位置。人类的智慧正带领我们以前所未有的速度朝着未来前进。同样，在这段时间里，我们提出、接受、推翻和恢复了与时间理论相矛盾的理论。回想起来，看见流行理论如何在某种抽象层面上周期性的出现是件很有意思的事情。我们不知道未来会发生什么，但我们肯定会与宇宙更紧密地纠缠在一起，更深地觉察到彼此。再此之前，我们将继续努力发展出一个不朽的时间理论。

#创作团队：

撰文：拉维·辛哈（Ravi Sinha）

设计：岳岳、雯雯

#参考来源：

https://cds.cern.ch/record/381232/files/9903010.pdf

http://classics.mit.edu/Plato/timaeus.html

http://faculty.arts.ubc.ca/ssavitt/Courses/Phil462A/Aristotle%20(Time).pdf

http://www.buddhistinformation.com/buddhism_and_the_illusion_of_time.html

http://muse.tau.ac.il/museum/galileo/pendulum.html

https://plato.stanford.edu/entries/newton-stm/scholium.html

https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/9789812386540_0010

http://www.drchinese.com/David/EPR.pdf