时间可能并不存在

——它去往何处？这个问题就更不用提了……

Newsflash: Time May Not Exist

Not to mention the question of which way it goes...

作者：提姆·福尔杰

By Tim Folger

作者介绍：

提姆·福尔杰是一位美国科学与自然撰稿人。他是《发现》杂志的特约编辑，并为其它数家杂志撰写科学类文章。自2002年以来，福尔杰一直担任《美国最佳科学与自然作品》年选的丛书编辑，并于2007年荣获美国物理科学协会写作奖。

测量时间，没人比得上费伦科·克劳茨。在德国加兴马普量子研究所的实验室里，他测出了人类迄今为止观察到的最短时间间隔。他还使用紫外激光脉冲监测——原子中电子极其短暂的量子跃迁。他探测到的事件持续了约100阿秒，或10^-16秒（即10的16次方分之一秒；1阿秒=10^-18秒）。为了看得更清楚，想象将100阿秒当作一秒，那么，一秒钟就相当于三亿年。

但即使是克劳茨的研究，也远远没有触摸到时间的最小尺度。有一个称为“普朗克尺度”的时间界限，与其相比，阿秒也漫长如劫。它标志着已知物理学的边缘。在这一界限内，空间距离和时间间隔如此之短，以至于时间和空间的概念都开始站不住脚。普朗克时间为10^-43秒（即10的43次方分之一秒）——这是有物理意义的最小时间单位，比一阿秒的万亿分之一的万亿分之一还要短。再短下去是什么？——时间已无从寻觅。至少目前是这样。

为了理解短于普朗克尺度的时间所做的诸多努力，引出了物理学上一个十分奇怪的分界线。简而言之，这个问题就是：在物理实在最基本的层次，时间可能不存在。如果这样，那么时间是什么？为什么在我们自身的体验中，它又是如此明明白白且霸气十足地无所不在？“在当代物理学中，时间的含义是一个极难说得清的问题。”牛津大学一位物理学哲学家西蒙·桑德斯说道：“情况如此尴尬，以至于上上策就是自称为不可知论者。”

时间的难题在一个世纪以前就产生了。当时爱因斯坦的广义和狭义相对论摧毁了“把时间作为一个普适（即与参考系无关）不变量”的观念。其后果之一就是，过去、现在和未来不再是绝对的。爱因斯坦的理论也在物理学上撕开了一个裂口，因为广义相对论（描述引力和宇宙大尺度结构）的定律和量子物理学（支配微观领域）的定律看起来不相容。大约四十多年前，当时在普林斯顿大学的著名物理学家约翰·惠勒和在北卡洛莱那大学的布莱斯·德维特（现已故）共同推出了一个非比寻常的方程式，为统一相对论和量子力学提供了可能的框架。但是惠勒-德维特方程式一直颇受争议，其部分原因在于，在我们对时间的认识上，它又添加了一个更令人困惑的难解之处。

“我们发现时间从惠勒-德维特方程式中消失了。”法国马赛地中海大学的物理学家卡洛·罗威利说：“它是众多理论家们一直困惑的问题。这可能是，思考量子实在的最佳方式就是——放弃时间的概念。也就是说，对宇宙的基本描述必须不涉及时间。”

迄今无人能成功使用惠勒-德维特方程式来整合量子理论和广义相对论。尽管如此，仍有占相当比例的少数物理学家相信（包括罗威利），一个能成功整合20世纪这两大物理杰作的理论，所描绘的必定是一个在究竟上不存在时间的宇宙。

时间或许不存在，这一可能性是物理学家们熟知的“时间难题”。它也许是最大的，但却远非唯一的时间谜题。屈居第二的是以下这一奇怪事实：物理学定律没有解释，为什么时间总是指向未来。所有的定律——无论是牛顿、爱因斯坦还是匪夷所思的量子定律，如果时间倒流，也同样成立。就我们已知的范围，时间是单向的过程；虽然没有法则去限制它，但它从不倒流。

麻省理工量子力学工程师赛斯·劳埃德说：“为什么我们有这么明确的单向时间之矢的概念，这相当神奇。”比如：当我问他现在是几点钟时，他总是回答“真让你问住了，行了吧？”。对此通常的解释是：“为了说明一个系统发生的情况，你不但需要确定它所遵循的物理定律，而且还要给出初始或终止的条件。”

时间不是脱离宇宙而存在的某个东西。宇宙之外没有钟表的滴答声。我们大多数人对时间的看法往往和牛顿一样：“绝对、真正和数学般的时间，自行地、以自具之本性，均匀地流动着，不管其外发生了什么。”但是正如爱因斯坦已证明的内容，时间是宇宙结构的一部分。和牛顿的信念相反，我们普通的钟表所测量的，并不是与宇宙无关的某种东西。劳埃德说，事实上，钟表根本不能测量时间。

“最近我去了博尔德的国家标准与技术研究所（注：这个研究所是一个政府实验室，是校验全国时间的原子钟所在地。）。”劳埃德说： “我说了‘你们的钟测量时间好准’之类的话。他们告诉我‘我们的钟不测量时间’。我心想，哇，这些家伙真谦虚。但是他们说‘不是，是时间被规定为是我们的钟所测量的东西。’还真的是这样。他们规定了全世界时间的标准：时间被规定为是他们的钟咔哒作响的次数。”

无时间宇宙理论的倡导者罗威利说过，国家标准与技术研究所的计时人员没有搞错。而且他们的观点与惠勒-德维特方程式一致。“我们从未真正看到时间。”他说：“我们看到的只是钟表。如果你说某个对象在（随着时间）移动，你真正说的是：当你的表针走到这儿，这个对象也相应走到了某某位置，诸如此类等等。我们说我们用钟表测量时间，但是我们看到的只是钟表指针的位置，不是时间本身。和其他物理量一样，钟表指针的位置也是一个物理量。所以在某种意义上，我们是在欺骗，因为我们真正观测的，是一个物理量和另一个物理量之间的对应关系，或称为函数关系，但是我们将一切事情表述成好像是在时间里展开的。”

“惠勒-德维特方程式中所发生的事情就是，我们必须停止再玩这种游戏。我们不再引进时间这一自身都无法观察的人造变量，替代这一做法的是，我们应该只去描述变量彼此之间的关系。这里的问题是，时间是现实的一个基本属性，或者仅仅是事物的宏观表象？我会说，它只是一个宏观效应。它是个只在大尺度事物上才能出现的东西。”

罗威利说的“大尺度事物”，是指任何远远大于神秘的普朗克尺度的东西。目前，尚没有一种物理学理论，能够完整地描述低于普朗克尺度的世界是什么样子。有一种可能性是，如果物理学家能想出办法，把量子理论和广义相对论统一起来，空间和时间将会由量子力学的某种修订版本来描述。在这样的理论中，空间和时间不再是光滑和连续的。相反，它们将由不连续的碎片（物理学行话称为量子）组成，就像光是由一个个被称为光子的单独能量束组成的一样。这些东西将是空间和时间的基本构筑单元。想象空间和时间由别的东西组成并非易事。如果空间和时间的构筑单元不存在于空间和时间之中，那么它们存在于何处呢？

如罗威利解释的，在量子力学中，一切物质具有各种能量的粒子，也同样可以描述为“波”。波有一种不同寻常的性质：无限数量的波可以存在于同一位置。如果有朝一日时间和空间被证明是由量子组成，这些量子可以以全部堆叠在一起的形式存在于一个零维的点。“在这种图像中，空间和时间在某种意义上消融了。”罗威利说：“空间已不复存在。剩下的只有量子一族，它们一个堆叠于另一个之上，而不是以浸于空间之中的方式居住着。”

罗威利一直和巴黎法国大学的世界顶尖数学家艾伦·科纳合作研究这一概念。他们共建了一个框架，以揭示我们感受为时间的那个东西，如何能够从一个更为基本的、无时间的实在中浮现出来。罗威利是这样描述的：“时间可能是一个粗略的概念，它只在大尺度情况下出现——有点像‘水面’的概念，只在宏观层次上有意义，但在原子层次，‘水面’失去了确切的含义。”

罗威利意识到，他的解释可能只是加深了时间的神秘性，他是这么说的：有很多知识，现在我们认为理当如此，同样也曾被认为令人迷惑不解。我知道，这种图像并不直观，但这就是基础物理学要做的事——找到新的对世界的理解方式，提出来并加以验证。我想，当伽利略说，地球在飞速旋转，这在那个时代也同样完全无法理解。哥白尼的空间不同于牛顿的空间，牛顿的空间也不同于爱因斯坦的空间。我们总是一点一点地学到更多。

举一个例子，爱因斯坦在他的革命性的时间观中找到了安慰。1955年3月，当他的终生好友米歇尔·贝索去世时，他写了一封信安慰贝索的家人：现在，他只是比我们先一步离开这个奇怪的世界。这算不上什么。相信物理学的人会明白，过去、现在和未来的区分，只不过是一个顽固持续着的错觉。

罗威利感觉到又一次时间学上的突破即将来临。他说：“1905年爱因斯坦发表的论文，转瞬之间就改变了人们对时空的认识。我们再次身处类似的情况。”最终，当尘埃落定，时间——不管它可能是何物，或许甚至——比爱因斯坦所能想象的还要奇异、虚幻。

翻译：圆往

一校：刘丹

二校：圆直 圆故 圆航·慧

终审：圆恩

有缘请加我个人微信

长按上图二维码即可添加