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2018-05-07 環球科學ScientificAmerican

時間是什么？這個看似簡單的問題，卻是物理學中最大的謎團之一。從相對論到量子力學，物理學家能找出時間的本質嗎？

撰文 │ Michael Brooks

翻譯 │ 張克文

審校 │ 吳非 韓晶晶

公元4世紀的希波哲學家奧古斯丁曾經寫道，他感覺他知道時間是什么，只要沒有人問他這個問題。直到20世紀，關于時間的圖景也鮮有改變，物理學家Carlo Rovelli曾說，時間“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間的體驗。”

時間以一種均勻、普遍的方式流逝，不可阻擋地將我們從不能再訪的過去運往無法預知的未來，這也是我們存在于這世上的最基本體驗。然而我們最好的理論卻認為它不是真實的。時間不會流動，過去、現在和未來無法被合理地定義，甚至不存在統一的時間來支配事件發生的次序。

法國艾克斯-馬賽大學的Carlo Rovelli是眾多尋求答案的物理學家之一。最新一代的實驗給了我們比以往更深入地探究時間本質的希望。基于所有的這些，一種新的認知正在形成，我們也許能夠更接近謎團的核心。或許我們不用過于擔心我們對時間的無知。也許，在某種層面上，時間就是不可知的。

一個世紀前，阿爾伯特·愛因斯坦革命性地改變了我們對時間的認知。他的相對論賦予時間物理本質：作為時空的一部分，是真實事件發生在其上的可延展結構。

愛因斯坦的理論在數學上自洽，而且經過了實驗的嚴格證實，但要將空間和時間捆在一起并將他們等同，這顯然與我們的經驗并不一致。確實，空間和時間都能夠區分物體和事件。但是我們可以在空間中自由地穿行，至少在理論上是這樣。而時間則強加了移動的方向，當它將我們從過去運往未來時，我們被困在無限的當下中。

如果時間的流動不在我們最基本的描述中，那它來自于哪里？現代對它的理解都是從熱力學第二定律著手的。熱力學第二定律描述了這樣一個事實：宇宙中的熵，即宇宙總的無序度總是在增加。這個論證表面上十分有說服力：你不能夠將鍋里的炒雞蛋復原成完整的雞蛋，也沒法將灑在地毯上的紅酒重新裝進酒杯里，因為這么做熵是減少的。許多物理學家將熵增解讀為時間的箭頭：一條宇宙的單行道。如果相對論為現實的表演提供了舞臺，那么熱力學就解釋了為什么表演總是遵從同樣的情節。

神秘的開端

本質上，劇情遵循統計學上的平均定律。高度有序的狀態最不可能：想一想原子在盒子的一角整齊地摞在一起，這是多么不切實際的一件事。熵傾向于增加，因為我們是趨向于更有可能狀態：例如原子在盒子中原子隨機排列。當我們沿著一條道路向宇宙的起源回溯，我們實際上是走向越來越不可能的低熵狀態。剩下的疑問是，為什么宇宙是從這樣一個不太可能的狀態開始演化的。

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

涌現的時間箭頭

因此，Rovelli和其同伴希望能超越熱力學定律，找到令人信服的機制來理解時間。

他們的出發點是熱力學起源于人為的假設，它使用大量原子統計平均的性質來避免處理單個原子的性質。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成了所有原子遵循的原理：量子理論。如果我們要尋找時間的答案，我們應該在量子力學中尋找。

艾克斯-馬賽大學的Carlo Rovelli

量子力學和相對論是出了名的在很多事情上都不一致，所以在它們對時間的描述上找不到共同點也不足為奇了。在量子力學中的公式中，時間不像相對論中所描述的那種“宇宙可延展結構中的一個動態分量”。量子力學中的時間更符合我們的直覺，它是一個在宇宙之外存在的均勻流逝的時鐘。

也許，粒子創造了時間而不是被時間支配。1972年，法國數學家 Alain Connes在代數中發現了量子版本的時間，他使用的是馮諾伊曼在上世紀三十年代為了探索量子理論而發展出的數學。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典概念中的時間聯系起來的。”

1994年，Connes在劍橋大學見到了Rovelli。那時，Rovelli剛剛寫了兩篇文章，論述時間在尋求統一相對論與量子力學的理論中的地位。Rovelli的想法和Connes的量子時間相吻合，他們隨后展開了合作。

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

然而事實并不僅如此。海森堡不確定性原理說明我們對于量子世界的認識在測量后依然是受限的。我們對某個量的了解越精確，比如位置，我們就越難以確定另一個量，比如動量。既然我們的測量結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果。Connes說：“物理中的可變性的本質不是時間的流逝，而是量子實驗結果的‘不可重復性’。”

這意味著時間不是基本的。在量子世界沒有時間的順序；時間的順序只出現在在將量子現象轉化為可觀測的經典現象的不可逆測量中。將此應用到熱學系統，涌現的現象和熱力學第二定律相符。Rovelli說：“這樣的流動和時間有著相同的性質。”

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

2016年，在牛津大學的Chiara Marletto和Vlatko Vedral回顧并擴展了這個理論，他們認為，糾纏程度各異的不同物質分布相當于不同熵狀態的集合，從中也就產生了時間的流逝，但宇宙作為一個整體所有狀態都是共存的，沒有時間的流逝。Vedral承認這是一個“非常奇怪的”想法，但這也是我們需要去檢驗的觀點。

這就是來自多倫多大學的理論物理學家Aephraim Steinberg的目標。他已經花了數十年來思考量子事件（比如隧穿）的持續時間。在隧穿效應中，電子這樣的量子粒子可以穿過經典粒子無法逾越的勢壘。在一些情形下，電子會掙脫原子穿過勢壘，瞬間出現在勢壘的另一側。這不僅僅是理論上的想法，而是確實會發生的效應，這是現代電子學的核心。

根據從量子場論得出的，被科學界普遍接受的隧穿效應概念，這個過程根本不需要時間，也就是說電子比光速還快。“大多數人對這個問題都持十分謹慎的態度，認為我們不應該考慮比光速還快的事情的發生，” Steinberg說到。

隧穿時間

Steinberg指出，這個理論表明隧穿的原子造成了勢壘兩邊區域之間的糾纏。因此，對兩個區域獨立的測量應該能夠解釋時間、空間和物質是如何聯系在一起的、是否真的能有事情“瞬時”發生，甚至可能揭示量子糾纏與時間更為深層次的關系。“我認為在它們之間有直接的關聯。” Steinberg說。

他的團隊正通過周密的實驗來探討這個問題。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。“我們已經看見了原子的隧穿，” Steinberg說，“我們需要測量原子在勢壘內待了多久。”

困難在于，沒有標準時鐘能夠做到這一點。每一個原子都必須要有自己的時鐘。現在，這個團隊正試圖用原子的內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行測量，答案將會揭曉原子穿過勢壘所用的時間。Steinberg 說：“這些都是已知的技術，我們所要做的只是如何將它們拼接在一起以保證正常運行。”

然而即使這樣的實驗，以及Rovelli 和 Connes的提議真的表明我們所體驗的時間流逝源于量子，關鍵問題仍然存在：量子效應如何和相對論中動態、形狀可變但卻不流動的時間相聯系？我們對量子系統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不同狀態的疊加態上，例如在不同強度的引力場中，根據愛因斯坦的廣義相對論，兩個狀態下時鐘走的速率會不同。Vedral 說：“這項實驗很具有挑戰性，但是我們很快可以提出這樣的問題：同時經歷著不同步的時間意味著什么？”

現實的結構

例如，我們可能發現處于疊加態的原子鐘對時間產生干涉效應，就像一個光子穿過雙縫屏會產生空間的干涉條紋，表明光子是從兩個縫同時穿過一樣。或者，和牛津大學的Roger Penrose很久以前所想的一樣，引力會使量子疊加態坍縮。Vedral 說：“真實的可逆事件可能在那個層面上發生。那么時間之箭的方向就是任意的。”這可以提示我們“量子引力”理論是什么樣的，時間的流逝是從何而來的。

 “也許都不是。”劍橋大學的哲學家Huw Price說。如果物理學告訴我們，時間的直覺特征，例如它在流逝，“現在”區別于過去和未來處于特殊地位，都不是現實結構的基本特征，那么也許對時間的最完整理解只能是物理學和心理學的結合。

Rovelli同意這樣的觀點，也許到最后，都沒有任何一個普適性的解釋能回答“時間是什么”。“當我們在思考時間的時候，我們傾向于將它想成單一概念，這顯然是錯誤的。”他說。我們的經歷有心理時間；時鐘測量的流逝時間；愛因斯坦探索的相對時間；與熵增等價的時間；也許，現在時間源自量子不可知性。“這是一個很美的問題，因為它將很多事情都納入了，” Rovelli說，“我并不認為我們找到了答案，但是在這個方面確實有進展。”

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