主题：【分享】你对“时间”真正了解多少

2012年04月29日 来源： 中国科技网 作者： 刘霞



多重宇宙示意图

    时间就像空气一样，与我们如影相随。我们居住的世界受时间的掌控，从最小的细胞到遥远的星系，整个宇宙都受制于恒常时间的脉动。由于时间无所不在，我们自认为了解时间，我们知道时间是有规律的，而且朝一个方向运动等等，但是，我们所认为的这些理论都是真实的吗？
    随着我们对时间的了解越多，我们就会越不安，时间就像一个笼罩着多层面纱的神秘女郎：为什么时间只朝一个方向行进？时间是真实的存在，还是只是我们的臆想？时间旅行可以实现吗？时间如何开始？时间会终结吗？

    这篇发表于英国《新科学家》杂志的文章将时间掀了个底朝天，揭开了面纱后的时间的“真容”，将宇宙间最神秘的维度——时间的过去、现在和未来展现在我们面前，同时也为我们讲述了一段人类在时间这个维度的奇异之旅。其实，随着我们对时间了解更多，我们会发现，对我们来说，时间是多么特别的存在，正是时间让人类变得如此独特。

    最熟悉的陌生人

    更好地理解时间，不仅能让我们将过去、现在和未来联系起来，也能让我们收获更多。

    科学往往借助一些概念来理解世界，在这些概念中，时间以其深度、神秘性和自相矛盾而著名。但与此同时，时间也是我们最熟悉的事物之一，不仅对科学研究来说如此，对我们庸常的日常生活来说也如此。

    “那么，什么是时间呢？”14世纪，古罗马帝国时期的基督教思想家圣·奥古斯丁提出的这个问题振聋发聩。圣·奥古斯丁说：“如果没有人问我，我知道时间是什么；但我无法对提问者解释时间是什么？这真是一个只可意会不可言传的问题。”

    自从圣·奥古斯丁提出这一问题以来，科学家们在理解时间方面取得了很大的进步，也提出了一些非常激进的新概念。例如，爱因斯坦的相对论已经证明，如果一个人行走的速度达到一定的高速，时间会行进得更慢；相距遥远的两个事件是否同时发生也并非一个客观事实，而与观察者的观察角度相关；另外，爱因斯坦在《广义相对论》和《狭义相对论》中也指出，我们的宇宙是由时间和空间构成。时空的关系，是在普通三维空间的长、宽、高三条轴外多了一条时间轴，而这条时间的轴是一条虚数值的轴。

    主流理论认为，天文学家们已经发现，时间可能有一个起点，在宇宙大爆炸内，但时间可能没有终点。神经心理学们则揭示，我们能在转瞬间对记忆进行重新排列以便改变我们要记住的事件的发生顺序；而且，在我们做出决定之前，通过大脑扫描可以探测出我们这个决定是什么。

    哲学家也因此得出了一些与意识（这本身就是人类的另外一个未解之谜）和自由意志有关的令人不安的结论。他们认为，没有什么客观存在的事物能将此刻与其他时刻区别开来；尽管时间不断流动这一观念根植于人们的常识中，但它本身是一个无意义的谬论。然而，量子理论中的多重宇宙观点却指出，时间的瞬间，比如“昨天这个时候”也是平行宇宙，也就是说，在其他宇宙内可能也存在与此一模一样的“昨天这个时候”，只是因为我们的宇宙中的“昨天这个时候”对我们的影响更大，因此能与其他时刻划清界限；而且，时间旅行也并非人们所以为的那么荒谬绝伦。

    有人曾期望上述进展能回答圣·奥古斯丁提出的“时间是什么”这一问题。但是，科学已经获得的影响深远的发现不仅否认了我们的直觉，也提出了很多新的更复杂的问题。

    例如，量子理论似乎对相对论的时空统一“满怀敌意”。爱因斯坦的相对论和量子理论一起构成了我们对物理世界最深层次的理解，然而，这两个理论对时间的理解却相互矛盾，这正是科学家们构建出“万物之理”的核心困难，几十年来，他们一直在殚精竭虑地追求这一理论。

    另外，已知的运动法则将未来和过去看成是对称的，然而，几乎我们在自然界中看到的所有事物都拥有能区分过去和未来的“时间之箭”：先有因再有果；计算机程序接受输入后才会给出输出值；袜子变脏，清洗袜子的洗衣机要从电网获取能量等，绝不会出现相反的情况。

    上述谜团之间错综复杂的关系使得其中某一个概念上取得的突破很难牵一发而动全身，让其他问题迎刃而解。不过，科学家们表示，随着科学技术的不断进展，笼罩在时间身上的谜题必然会被全部揭开。

    时间是什么？幻象还是现实

    时间是什么呢？很多人都曾在有意无意间问过这个问题，而从古老的哲学家到启蒙时期的科学家再到现在的研究人员也都对此进行了“千万次的问”。

    然而，科学家们经过数千年的上下求索之后，仍然没有就时间的本质究竟是什么达成共识。哲学家朱利安·巴博表示：“我们能感知时间但无法理解时间。关于时间是什么或者如何解决这一问题，人们几乎很难达成共识，这真是一件不同寻常的事情。”

    这可能是因为，迄今为止我们的科学研究取得的进步并不需要深刻理解时间。例如，在物理学领域，牛顿的运动法则、爱因斯坦的广义相对论以及量子理论并不需要知道时间的本质就可以在各自的领域通行无阻，而且，即使钟表制造商们也不需要理解时间就能做出精美绝伦的计时器。

    然而，钟表却在无意间给我们透露了一点信息，为我们指明了努力的方向，因为钟表需要某些运动零件来测量时间的流逝，这些运动零件包括钟表的擒纵系统（动力传递最后一步到达擒纵系统，擒纵系统又控制着钟表储备动力的释放频率和速度，从而达到钟表精确走时的效果）。这就告诉我们，当某些事物运动时，钟表会发生变化。因此，时间是与某些改变的事物纠缠在一起的。但是，也仅仅如此而已。不过，从这一点来说，我们会对时间产生两种截然不同的看法。

    第一种结论认为，时间是宇宙一个真实而基本的属性。与空间和物质一样时间，本身就存在，它为我们提供了一个供各种事件发生的框架。艾萨克·牛顿就是这一观点的拥护者，他认为，为了量化运动，我们必须将时间看成是像屋子里的墙壁一样真实存在的物体。只有那样，我们才能准确地测量物体的运动速度究竟有多快，运动距离究竟有多远。

    然而，爱因斯坦则通过证明观察者的运动以及施加在他和时间上的重力强度的不同，证明时间会以不同的速度流逝，从而坚决摒弃了牛顿的观点。爱因斯坦的理论不仅摒弃了空间和时间本身就存在这一观点，并且走得更远，他说：“时间只是一个顽固存在的幻象。”然而，时空仍然能为测量宇宙参数提供有用的参考框架。物理学家布莱恩·葛林也在《优雅的宇宙》一书中写道：“时空当然是某种真实的存在。”

    爱因斯坦的理论导致了一个观点，那就是，改变是宇宙的基本属性，而且，时间源于我们为了让周围如白云苍狗般不断变化的世界井井有条所付出的精神努力。牛顿的对手、16世纪德国伟大的哲学家、科学家戈特弗里德·威廉·凡·莱布尼茨也支持这套解释——时间并非真的存在，而是由我们的大脑所创造。因此，我们现在进退两难了：时间是真实的吗？

    物理学家们和哲学家们仍然在这一问题上争论不休，而量子力学的出现更是雪上加霜，让人们更加困惑。不过，科学家们认为，这一问题的答案有可能让我们创建出能解释自然界中所有粒子和力的“万物之理”。

    不过，即使我们解决了这一问题，也将会有另一个大问题接踵而至。如果时间真的存在，那么，时间来源于何处呢？迄今为止，大多数物理学家们认为，宇宙大爆炸制造了时间、能量和空间。因此，任何认为时间在大爆炸之前就已经存在的观念都是不正确的。然而，这些物理学家们现在也开始对这一观点产生怀疑了。美国加州理工学院的科学家肖恩·卡罗尔表示：“我们无权宣称，宇宙和时间在大爆炸时开始，或者，在大爆炸之前开始。这两种观点都有人拥护，但就我个人而言，我认为宇宙会永远持续下去。”

    最新冒出的弦理论让人们开始重新认识这些问题。弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论，很多科学家认为，弦理论有可能成为终极理论。弦理论认为，现实不仅只包含我们所熟知的四个维度，尽管我们无法直接看见另外那些维度，但是，它们为其他宇宙的存在提供了空间。这些宇宙分别形成于一系列的宇宙大爆炸，这意味着，我们的宇宙源于其他宇宙，这样说来，时间的确在宇宙大爆炸之前就已经存在。以前的宇宙甚至可能为我们留下了一些与现在的宇宙有关的“蛛丝马迹”。

    2008年，卡罗尔和同事指出，宇宙大爆炸留下的辐射中的一些“奇特物质”可能就是更早的宇宙留下的线索。接着，2010年11月，英国牛津大学数学系的教授罗杰·彭罗斯和亚美尼亚埃里温国立大学的瓦赫·古萨德杨报告称，他们在宇宙微波背景辐射中发现了一个同心圆，这里的温度变动远低于预期，这暗示着宇宙微波背景微射各向异性并不是完全随机的。他们解释说，宇宙微波背景辐射的同心圆结构支持我们可能生活在一个周期性宇宙这一可能性，处于一次地质年末期的宇宙可能引发了另一次宇宙大爆炸，开启了另一次地质年，这一过程会无限期地重复。

    高能物理学界和宇宙学界最为倚重的两个“庞然大物”是欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）和欧洲航天局的普朗克卫星。普朗克卫星将在几年内公布其测量的宇宙微波背景辐射的图片，届时，我们将有机会验证上述诸多想法。普朗克卫星会测量出宇宙微波背景辐射每50万年的涨落，这样的精确度比美国国家航空航天局（NASA）的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）还要好三倍。威尔金森微波各向异性探测器的目标是找出宇宙微波背景辐射的温度之间的微小差异，以帮助测试有关宇宙产生的各种理论。

    此时此刻，我们无法避开解决上述问题将要面对的重重困难，我们也无法想象答案将会对我们产生多么深远的影响。现在，我们唯一知道并且应该承认的就是，我们以前太忽视时间了。

    为什么时间总朝着一个方向疾驰？

    向前迈出几步，接着向回走到原点，没问题；而让几秒钟过去接着让它转身并退后几秒回到原点，可能吗？当然不。这一点我们都很清楚，与空间不同的是，时间只有一个方向，它从过去流到现在，从来不走回头路。

    所有这一切听起来好像都是自然界固有的顺序，但是，如果你更仔细地观察自然，你将发现情况并非如此。在物理学法则中似乎并没有发现这样的时间之箭。例如，使用牛顿力学法，你可以知道从过去扔过来的球未来会出现在什么地方。在粒子领域，如果把未来和过去互换，统治粒子行为的法则和力也不会发生变化。

    澳大利亚悉尼大学的物理哲学家迪恩·里克斯说：“真正令人觉得奇怪的事情是，足以为我们所看到的世界负责的物理学法则，在过去和未来一样能起作用，时间之箭似乎对其并没有影响。”

    如果时间之箭不存在于物理学法则中，那么，它源于何处呢？大量粒子间复杂的相互关系提供了一个重要的线索。你周围的万事万物，包括你自己，都由很多粒子集合而成。这些粒子并非无所事事地环绕在你周围，它们在持续不断地进行交杂和重新排列。

    物理学家们会给任何宏观系统，比如一湾水或一块冰晶赋予一个熵值。熵指的是体系的混乱程度，它在控制论、概率论、数论、天体物理学、生命科学等领域都有重要应用。1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出熵的概念，熵值反映了在不改变整个系统外观的情况下，组成该系统的粒子可以采用多少种方式进行重新排列。可以采用多种方式对水分子进行排列从而制造出一湾水，因此一湾水就是熵值很高的系统。相反，必须采用非常精确的排列方式才能获得一块冰晶，因此冰晶就是熵值比较低的系统。

    纯粹从统计学角度而言，高熵值系统比低熵值系统存在的可能性要大一些，因为有更多方式可以制造它们。

    尽管熵值的增加是一个统计现象而非基础现象，但是，这足以产生一个强大的物理学法则——热力学第二法则。该法则认为，宇宙的熵从来不会减少。你可能会认为，从过去到未来的时间之箭的关键就是从低熵值到高熵值的稳定前进。

    要是情况真这么简单就好了。不幸的是，热力学第二法则并没有真正解释时间之箭。它只是表明高熵状态比低熵状态存在的可能性更大。时间与此并没有关系，这意味着从现在开始，5分钟后的世界的熵更高，5分钟前的世界也是如此。

    那么，解释时间之箭的唯一方式是假定宇宙仅仅开始于一个完全不可能的低熵状态。如果情况不是如此，那么，时间将会被黏住，包括我们自己在内的万事万物可能都不会出现。法国理论物理学研究中心的卡洛·洛华利表示：“时间之箭依赖于一个事实，那就是，宇宙采用一种非常独特的状态突然出现。要是宇宙开始于一种随机状态，那么，就没有什么事情能够区别过去与未来了。”

    实际上，科学观察证明，宇宙确实源于一种熵极低的状态。大爆炸留下的辐射为我们提供了宇宙婴儿时期的“快照”。它表明，在时间即将开始时，物质和辐射都非常光滑地贯穿整个太空。乍一看，这似乎是一个高熵状态，然而，将重力考虑在内后才发现情况并非如此。

    重力就像热心的红娘一样，始终想将万事万物拉拢在一起，因此，在一个由重力统治的系统内，黑洞是一种更可能会出现的状态，因此，其比光滑分布具有更高的熵。如此一来，这种熵值低的平滑状态就不太可能存在，那么，我们为何如此幸运诞生了呢？里克斯说：“如果我们能够解释为何过去的熵值低，那么，我们就一定能破解时间之箭的难题。”

    天文学家们确实能解释我们在早期宇宙中看到的平滑状态。他们说，在时间开始后的瞬间，宇宙经历了一个非常简短但非常剧烈的膨胀，也就是我们现在所知的暴胀，其让空间像一块胶板一样展开并且抚平了所有的褶皱。

    暴胀似乎能解释上述两难困境。但是，当我们更进一步地进行检查时却发现，它只是将这个问题又重新推了回来。因为为了暴胀能以正确的方式出现并制造出我们现在所在的宇宙，驱动暴胀的场——暴胀场必须拥有很多非常不可能存在的特征。因此，尽管暴胀场能解释低熵宇宙的神秘，但它自己的熵也很低，那么物理学家们该如何解释这一点呢？

    一个可能的解释是，暴胀不止发生了一次。也就是说，暴胀场很有可能以一种混沌、高熵状态而开始，因此，其各处的属性不一样。低熵暴胀产生了我们的平滑宇宙，因此，在一个更大、更高熵的场中，时间之箭只是一个随机现象。这个场的某些部分可能拥有合适的环境，因此产生一个类似于我们居住的宇宙这样的宇宙，而这个场的其他部分则寸草不生或者产生了其他宇宙。

    实际上，暴胀场的物理学原理可以确保其一直能留下足够多的物质，制造出更多宇宙，科学家们表示，在此基础上，多重宇宙的概念应运而生。

    有多条线索最后都指向多重宇宙，这就使很多宇宙学家开始认真思考这一概念。在多重宇宙中，有些宇宙会拥有时间之箭，而有些宇宙则没有。对于我们刚好身处一个拥有时间之箭的宇宙中，我们并不应该感到吃惊，因为，那是唯一一类能孕育生命的宇宙。加州理工学院的科学家肖恩·卡罗尔表示：“这是我最喜欢看到的情景。多重宇宙这一观点尽管还并不广为人知，但我相信，在不远的将来，每个人都会相信这一点的。”

    即使多重宇宙能够解释时间之箭，但是，仍然还有很多谜团需要解开。例如，热力学第二法则如何与宇宙的量子天性相吻合？量子系统似乎展示出了它们自己的一类箭：科学家们一直通过将可能出现的状态叠加在一起直到一个测量系统神秘地选择其中一个独特的状态（这一叠加到选择的过程显然又是不可逆转的）这一思路来定义量子系统。神经科学也有一些未解之谜，比如，为什么人类的大脑仅仅记得过去发生的事情而不知道未来发生的事情呢？

    卡罗尔说：“理解时间之箭如何在大量的环境中（进化、衰老、记忆、因果关系、复杂性）表现自身仍然是一个未解之谜，希望物理学家们在未来能为我们提供更多答案。”

    获得万物之理倒计时

    时间持续不断地流逝、捉摸不定，而且，最让人抓狂的是，时间很难定义。时间不仅是最大的存在之谜之一，而且，也是回答创建物理学界最富野心的挑战——万物之理的关键。100年来，科学家们一直希望构建出这套优雅的理论来阐述整个庞大宇宙的运行规律。万物之理会将描述空间和时间运行规律的爱因斯坦广义相对论和非常诡异但使人非信不可的描述物质物理学的量子力学结合在一起。

    然而，广义相对论和量子力学理论对时间的阐释迥然不同，这种差异也是它们很难联姻的主要原因。如果我们希望在创建万物之理的努力上有所突破，我们就必须放弃某些事情。有些人猜想，我们必须放弃的可能是时间。

    大约100年前，爱因斯坦就已经证明，时间并非像我们所以为的那样是现实的基本组成部分。爱因斯坦的广义相对论将时间和空间缝合成名为时空的统一实体，在物质或能量出现时，时空会伸展、起褶皱，产生像重力一样的时空曲率。但是，时空又存在一个悖论，那就是，时空作为一个整体无法随着时间而演进，因为它是时间，没有钟表能位于宇宙之外。

    广义相对论告诉我们，随着时间的流动，我们的经历是用拼缀图方式产生的一类幻象，在这种方式中，不同的观察者使用各自不同的观察角度，将结合在一起的时空切割成时间和空间。

    而在量子力学领域，情况则截然不同。在广义相对论中，时间被包含在一个系统内，而量子力学则要求一块钟表位于该系统外，宇宙中的秒钟滴答过去的方式对所有的观察者来说都完全一样。那是因为量子系统由波函数来描述，波函数能给出一个人可能选择何种测量方式以及可能得到何种结果，而且，这些波函数会随时间而演进。

    随着时间的流逝，各种可能性都保持一致，这是量子力学的一个基本规则。为了执行这些规则，波函数内所涉及的时间必须唯一，而且，对每个人、每件事来说都一样。

    为了能顺利将广义相对论和量子力学结合起来，我们需要采用同一个时间观点，但是，哪一个是正确的呢？

    不同的人会对这一问题给出不同的答案。有些人认为，爱因斯坦一定是对的，需要修改量子理论。法国理论物理研究中心的卡洛·洛华利为此已经修改了量子力学的规则，根本不需要再提到时间。洛华利说：“对我来说，这一问题的解决办法是，在自然界的基本层面上根本不存在时间。”按照他的观点，量子力学并不需要描述物理系统随时间如何演进，只需要描述它们相对于其他系统（比如观测者或测量设备）如何演进就可以了。他说：“物理学家们并不知道每时每刻月球是如何通过天空的，但知道月球在天空中相对太阳是如何运动的。时间在我们的脑海中，并不在基本的物理学现实中。”

    当然，也有人持不同的意见。加拿大理论物理学院的物理学家弗提尼·马可波罗-卡拉马拉认为，时间确实存在于现实最基本的层面，但是，为了与时间相符，空间必须远走高飞。在她的名为量子引力图论的模型中，现实的基本组成元素是按时间顺序排列的量子事件，而且，从这些量子事件中，空间、重力以及爱因斯坦的理论都有望在更大层面上以及能量更低的状态下出现。在这个场景中，量子理论赢得了时间之战，并且因此，相对论不得不俯首称臣。

    而对另外一些人来说，宣称量子机制或相对论谁是最后的赢家还为时尚早。澳大利亚悉尼大学的哲学物理学家迪恩·里克斯认为，这两种理论都不对，他说：“时间很可能源于某些更深层次、更原始的、非尘世的事物。”里克斯说：“至于创建出万物之理，我们还有很长的路要走，但是，时间概念似乎非常关键。”(记者 刘霞 综合外电)

    《科技日报》（2012-4-29 二版）