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2018-05-07 環(huán)球科學(xué)ScientificAmerican

時(shí)間是什么？這個(gè)看似簡單的問題，卻是物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一。從相對論到量子力學(xué)，物理學(xué)家能找出時(shí)間的本質(zhì)嗎？

撰文 │ Michael Brooks

翻譯 │ 張克文

審校 │ 吳非 韓晶晶

公元4世紀(jì)的希波哲學(xué)家奧古斯丁曾經(jīng)寫道，他感覺他知道時(shí)間是什么，只要沒有人問他這個(gè)問題。直到20世紀(jì)，關(guān)于時(shí)間的圖景也鮮有改變，物理學(xué)家Carlo Rovelli曾說，時(shí)間“也許是最超乎尋常的未解之謎。在我們目前所知的最基本的層面上，沒有什么能給我們類似于時(shí)間的體驗(yàn)。”

時(shí)間以一種均勻、普遍的方式流逝，不可阻擋地將我們從不能再訪的過去運(yùn)往無法預(yù)知的未來，這也是我們存在于這世上的最基本體驗(yàn)。然而我們最好的理論卻認(rèn)為它不是真實(shí)的。時(shí)間不會(huì)流動(dòng)，過去、現(xiàn)在和未來無法被合理地定義，甚至不存在統(tǒng)一的時(shí)間來支配事件發(fā)生的次序。

法國艾克斯-馬賽大學(xué)的Carlo Rovelli是眾多尋求答案的物理學(xué)家之一。最新一代的實(shí)驗(yàn)給了我們比以往更深入地探究時(shí)間本質(zhì)的希望?；谒械倪@些，一種新的認(rèn)知正在形成，我們也許能夠更接近謎團(tuán)的核心。或許我們不用過于擔(dān)心我們對時(shí)間的無知。也許，在某種層面上，時(shí)間就是不可知的。

一個(gè)世紀(jì)前，阿爾伯特·愛因斯坦革命性地改變了我們對時(shí)間的認(rèn)知。他的相對論賦予時(shí)間物理本質(zhì)：作為時(shí)空的一部分，是真實(shí)事件發(fā)生在其上的可延展結(jié)構(gòu)。

愛因斯坦的理論在數(shù)學(xué)上自洽，而且經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)格證實(shí)，但要將空間和時(shí)間捆在一起并將他們等同，這顯然與我們的經(jīng)驗(yàn)并不一致。確實(shí)，空間和時(shí)間都能夠區(qū)分物體和事件。但是我們可以在空間中自由地穿行，至少在理論上是這樣。而時(shí)間則強(qiáng)加了移動(dòng)的方向，當(dāng)它將我們從過去運(yùn)往未來時(shí)，我們被困在無限的當(dāng)下中。

如果時(shí)間的流動(dòng)不在我們最基本的描述中，那它來自于哪里？現(xiàn)代對它的理解都是從熱力學(xué)第二定律著手的。熱力學(xué)第二定律描述了這樣一個(gè)事實(shí)：宇宙中的熵，即宇宙總的無序度總是在增加。這個(gè)論證表面上十分有說服力：你不能夠?qū)㈠伬锏某措u蛋復(fù)原成完整的雞蛋，也沒法將灑在地毯上的紅酒重新裝進(jìn)酒杯里，因?yàn)檫@么做熵是減少的。許多物理學(xué)家將熵增解讀為時(shí)間的箭頭：一條宇宙的單行道。如果相對論為現(xiàn)實(shí)的表演提供了舞臺(tái)，那么熱力學(xué)就解釋了為什么表演總是遵從同樣的情節(jié)。

神秘的開端

本質(zhì)上，劇情遵循統(tǒng)計(jì)學(xué)上的平均定律。高度有序的狀態(tài)最不可能：想一想原子在盒子的一角整齊地摞在一起，這是多么不切實(shí)際的一件事。熵傾向于增加，因?yàn)槲覀兪勤呄蛴诟锌赡軤顟B(tài)：例如原子在盒子中原子隨機(jī)排列。當(dāng)我們沿著一條道路向宇宙的起源回溯，我們實(shí)際上是走向越來越不可能的低熵狀態(tài)。剩下的疑問是，為什么宇宙是從這樣一個(gè)不太可能的狀態(tài)開始演化的。

不要太著急。首先，沒有證據(jù)證明，宇宙中總的熵是在增加的。也許熵增只是一個(gè)局域的特征，就像全球變暖中的寒流。其次，熱力學(xué)第二定律只適用于封閉的系統(tǒng)，也就是說系統(tǒng)的總能量不變，同樣的，宇宙是否是一個(gè)封閉系統(tǒng)還有待商榷。“宇宙是否在一個(gè)盒子中？” 來自牛津大學(xué)的物理學(xué)家Julian Barbour 問道，“這看上去并不合理。所有的證據(jù)都表明宇宙正在沒有限制地膨脹?！比绻聦?shí)如此，熵給出的限制也許不適用于宇宙。

涌現(xiàn)的時(shí)間箭頭

因此，Rovelli和其同伴希望能超越熱力學(xué)定律，找到令人信服的機(jī)制來理解時(shí)間。

他們的出發(fā)點(diǎn)是熱力學(xué)起源于人為的假設(shè)，它使用大量原子統(tǒng)計(jì)平均的性質(zhì)來避免處理單個(gè)原子的性質(zhì)。這一平均過程暗示了原子固有的不確定性，這些不確定性最終構(gòu)成了所有原子遵循的原理：量子理論。如果我們要尋找時(shí)間的答案，我們應(yīng)該在量子力學(xué)中尋找。

艾克斯-馬賽大學(xué)的Carlo Rovelli

量子力學(xué)和相對論是出了名的在很多事情上都不一致，所以在它們對時(shí)間的描述上找不到共同點(diǎn)也不足為奇了。在量子力學(xué)中的公式中，時(shí)間不像相對論中所描述的那種“宇宙可延展結(jié)構(gòu)中的一個(gè)動(dòng)態(tài)分量”。量子力學(xué)中的時(shí)間更符合我們的直覺，它是一個(gè)在宇宙之外存在的均勻流逝的時(shí)鐘。

也許，粒子創(chuàng)造了時(shí)間而不是被時(shí)間支配。1972年，法國數(shù)學(xué)家 Alain Connes在代數(shù)中發(fā)現(xiàn)了量子版本的時(shí)間，他使用的是馮諾伊曼在上世紀(jì)三十年代為了探索量子理論而發(fā)展出的數(shù)學(xué)。Connes說：“我不知道它在物理中處于什么地位，也不知道它是如何與經(jīng)典概念中的時(shí)間聯(lián)系起來的。”

1994年，Connes在劍橋大學(xué)見到了Rovelli。那時(shí)，Rovelli剛剛寫了兩篇文章，論述時(shí)間在尋求統(tǒng)一相對論與量子力學(xué)的理論中的地位。Rovelli的想法和Connes的量子時(shí)間相吻合，他們隨后展開了合作。

他們的核心論點(diǎn)是，時(shí)間箭頭在微觀量子物體（如原子、光子）與測量它們性質(zhì)的宏觀經(jīng)典物體的相互作用中涌現(xiàn)。測量對于量子世界十分重要。在測量之前，我們只有關(guān)于量子物體動(dòng)量和位置的概率。直到測量后，不確定性才會(huì)坍縮成經(jīng)典的確定。

然而事實(shí)并不僅如此。海森堡不確定性原理說明我們對于量子世界的認(rèn)識在測量后依然是受限的。我們對某個(gè)量的了解越精確，比如位置，我們就越難以確定另一個(gè)量，比如動(dòng)量。既然我們的測量結(jié)果遵循某種概率分布的，在不同的情況下，我們測量的次序決定了它們的結(jié)果。Connes說：“物理中的可變性的本質(zhì)不是時(shí)間的流逝，而是量子實(shí)驗(yàn)結(jié)果的‘不可重復(fù)性’?！?/span>

這意味著時(shí)間不是基本的。在量子世界沒有時(shí)間的順序；時(shí)間的順序只出現(xiàn)在在將量子現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可觀測的經(jīng)典現(xiàn)象的不可逆測量中。將此應(yīng)用到熱學(xué)系統(tǒng)，涌現(xiàn)的現(xiàn)象和熱力學(xué)第二定律相符。Rovelli說：“這樣的流動(dòng)和時(shí)間有著相同的性質(zhì)?！?/p>

這不是唯一一種認(rèn)為時(shí)間源自量子不可知性的假說，另一種假說將時(shí)間起源和量子糾纏聯(lián)系在一起。糾纏允許之前有相互作用的量子粒子瞬時(shí)傳遞相互的影響，這與我們直覺中時(shí)間和空間概念相悖。但是，我們同樣需要更深入的思考：和顯而易見的規(guī)律相悖也許是因?yàn)榧m纏創(chuàng)造了時(shí)間。這個(gè)想法由Don Page和William Wootters在1983年首次提出，他們認(rèn)為時(shí)間起源于量子物質(zhì)相對于空間背景的分布?？臻g背景扮演了時(shí)鐘的角色，由于量子疊加原理，空間背景可以同時(shí)存在多種分布形式，這個(gè)疊加態(tài)中的每一個(gè)元素都產(chǎn)生了一種不同的時(shí)間。

2016年，在牛津大學(xué)的Chiara Marletto和Vlatko Vedral回顧并擴(kuò)展了這個(gè)理論，他們認(rèn)為，糾纏程度各異的不同物質(zhì)分布相當(dāng)于不同熵狀態(tài)的集合，從中也就產(chǎn)生了時(shí)間的流逝，但宇宙作為一個(gè)整體所有狀態(tài)都是共存的，沒有時(shí)間的流逝。Vedral承認(rèn)這是一個(gè)“非常奇怪的”想法，但這也是我們需要去檢驗(yàn)的觀點(diǎn)。

這就是來自多倫多大學(xué)的理論物理學(xué)家Aephraim Steinberg的目標(biāo)。他已經(jīng)花了數(shù)十年來思考量子事件（比如隧穿）的持續(xù)時(shí)間。在隧穿效應(yīng)中，電子這樣的量子粒子可以穿過經(jīng)典粒子無法逾越的勢壘。在一些情形下，電子會(huì)掙脫原子穿過勢壘，瞬間出現(xiàn)在勢壘的另一側(cè)。這不僅僅是理論上的想法，而是確實(shí)會(huì)發(fā)生的效應(yīng)，這是現(xiàn)代電子學(xué)的核心。

根據(jù)從量子場論得出的，被科學(xué)界普遍接受的隧穿效應(yīng)概念，這個(gè)過程根本不需要時(shí)間，也就是說電子比光速還快。“大多數(shù)人對這個(gè)問題都持十分謹(jǐn)慎的態(tài)度，認(rèn)為我們不應(yīng)該考慮比光速還快的事情的發(fā)生，” Steinberg說到。

隧穿時(shí)間

Steinberg指出，這個(gè)理論表明隧穿的原子造成了勢壘兩邊區(qū)域之間的糾纏。因此，對兩個(gè)區(qū)域獨(dú)立的測量應(yīng)該能夠解釋時(shí)間、空間和物質(zhì)是如何聯(lián)系在一起的、是否真的能有事情“瞬時(shí)”發(fā)生，甚至可能揭示量子糾纏與時(shí)間更為深層次的關(guān)系?！拔艺J(rèn)為在它們之間有直接的關(guān)聯(lián)?！?Steinberg說。

他的團(tuán)隊(duì)正通過周密的實(shí)驗(yàn)來探討這個(gè)問題。最基本的想法是讓超冷原子，也就是比絕對零度高十億分之一度的原子，隧穿過由激光形成的高度聚集的電磁場勢壘。“我們已經(jīng)看見了原子的隧穿，” Steinberg說，“我們需要測量原子在勢壘內(nèi)待了多久?！?/span>

困難在于，沒有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘能夠做到這一點(diǎn)。每一個(gè)原子都必須要有自己的時(shí)鐘。現(xiàn)在，這個(gè)團(tuán)隊(duì)正試圖用原子的內(nèi)稟自旋屬性來衡量它們在磁場形成的勢壘中到底停留了多久。勢壘的兩邊都要對自旋進(jìn)行測量，答案將會(huì)揭曉原子穿過勢壘所用的時(shí)間。Steinberg 說：“這些都是已知的技術(shù)，我們所要做的只是如何將它們拼接在一起以保證正常運(yùn)行?！?/span>

然而即使這樣的實(shí)驗(yàn)，以及Rovelli 和 Connes的提議真的表明我們所體驗(yàn)的時(shí)間流逝源于量子，關(guān)鍵問題仍然存在：量子效應(yīng)如何和相對論中動(dòng)態(tài)、形狀可變但卻不流動(dòng)的時(shí)間相聯(lián)系？我們對量子系統(tǒng)理解的加深將為我們帶來新見解。例如，我們可以讓原子鐘處在兩個(gè)不同狀態(tài)的疊加態(tài)上，例如在不同強(qiáng)度的引力場中，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，兩個(gè)狀態(tài)下時(shí)鐘走的速率會(huì)不同。Vedral 說：“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)很具有挑戰(zhàn)性，但是我們很快可以提出這樣的問題：同時(shí)經(jīng)歷著不同步的時(shí)間意味著什么？”

現(xiàn)實(shí)的結(jié)構(gòu)

例如，我們可能發(fā)現(xiàn)處于疊加態(tài)的原子鐘對時(shí)間產(chǎn)生干涉效應(yīng)，就像一個(gè)光子穿過雙縫屏?xí)a(chǎn)生空間的干涉條紋，表明光子是從兩個(gè)縫同時(shí)穿過一樣。或者，和牛津大學(xué)的Roger Penrose很久以前所想的一樣，引力會(huì)使量子疊加態(tài)坍縮。Vedral 說：“真實(shí)的可逆事件可能在那個(gè)層面上發(fā)生。那么時(shí)間之箭的方向就是任意的?！边@可以提示我們“量子引力”理論是什么樣的，時(shí)間的流逝是從何而來的。

 “也許都不是?！眲虼髮W(xué)的哲學(xué)家Huw Price說。如果物理學(xué)告訴我們，時(shí)間的直覺特征，例如它在流逝，“現(xiàn)在”區(qū)別于過去和未來處于特殊地位，都不是現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)的基本特征，那么也許對時(shí)間的最完整理解只能是物理學(xué)和心理學(xué)的結(jié)合。

Rovelli同意這樣的觀點(diǎn)，也許到最后，都沒有任何一個(gè)普適性的解釋能回答“時(shí)間是什么”。“當(dāng)我們在思考時(shí)間的時(shí)候，我們傾向于將它想成單一概念，這顯然是錯(cuò)誤的?！彼f。我們的經(jīng)歷有心理時(shí)間；時(shí)鐘測量的流逝時(shí)間；愛因斯坦探索的相對時(shí)間；與熵增等價(jià)的時(shí)間；也許，現(xiàn)在時(shí)間源自量子不可知性。“這是一個(gè)很美的問題，因?yàn)樗鼘⒑芏嗍虑槎技{入了，” Rovelli說，“我并不認(rèn)為我們找到了答案，但是在這個(gè)方面確實(shí)有進(jìn)展?！?/span>

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