逝者如斯夫，不捨晝夜，你，真的懂時間嗎？_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-12-06 16:00
時間是自然界的一大謎團，人們對時間的真諦爭論已久。時間是事件從過去到現在，再到未來的連續流動。時間幫助我們組織事件，把握過程，瞭解事物的變化。時間可以看作是三維空間之外的第四個維度。我們理解空間和時間如何共同作用的主要方式是廣義相對論。時空的理論和實驗研究進展表明，時間會發生扭曲和擴張，尤其是在黑洞邊界附近。
**牛頓是如何理解時間的？**絕對的、真實的、數學的時間，從其自身的性質出發，均衡地流動着，與任何外部事物無關。
——艾薩克·牛頓
艾薩克·牛頓
牛頓認為，絕對時間是可測量但不可察覺的，只有通過數學才能真正理解它。對他來説，一維絕對時間和三維宇宙幾何是客觀實在****獨立和分開的兩個方面。在絕對時間的任何給定點上，宇宙中的所有事件都是同時發生的。
愛因斯坦是如何看待時間的？時間是相對的，它的唯一價值取決於我們在時間流逝時做了什麼。
——阿爾伯特·愛因斯坦
阿爾伯特·愛因斯坦
然而，愛因斯坦在 20 世紀初提出狹義相對論後，對同時性的概念提出了質疑，使其失去了在牛頓理論中長期佔據的地位。根據相對論，同時性並不是事件之間的絕對關係。在一個參照系中同時發生的事件，在另一個參照系中可能並不同時發生。愛因斯坦認為，宇宙並不存在單一的計時器。一個事件的精確發生取決於一個人相對於他正在觀察的事物的確切位置。
相對論和量子理論都表明，展現在我們面前的現實是一種可觀測的現實。這意味着，就時空而言，空間座標和時間座標都是可觀測的物理量，都是從潛在的現實中產生的。就時間而言，則產生了一個問題——過去、現在或未來的事物是否意味着就是真實的事物？如果我們把重點放在基於物理知識的分析上，那麼時間概念有兩個基本方面。首先最明顯的一個方面是對時間流逝的感知，過去、現在和未來的概念正是建立在這一感知的基礎之上，阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）將其定義為時間之箭，強調了時間的不可逆轉性。第二個方面是卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）定義的 “統一性缺失”，指的是時空相對論，它以對物理事件的感知為基礎，使過去、現在和未來成為一個任意的概念。
**時間是真實存在的，還是隻是一種幻覺？**時間是一種幻覺。它只存在於我們思考過去和未來的時候，並不存在於此時此地。
——瑪麗娜·阿布拉莫維奇
為什麼時間是一個值得討論的話題？它給人的感覺是真實的、無處不在的、穩步向前的。它像河流一樣流淌，總是按照明確的順序前進，一件事接着一件事，你可以測量事件之間的時間間隔。但這一切究竟是時間的真實寫照，還是我們對時間的想象？也許時間並不像它看起來那麼平滑和恆定。
在愛因斯坦相對論的支持下，將宇宙想象成一個四維時空結構。每個事件在時空中都有自己的座標或位置。時間是無時態的，所有點都同樣 “真實”，這意味着未來和過去與現在一樣真實。那麼，我們人類的視角是否欺騙了我們？我們覺得時間是流動的、流逝的、有明確方向的，這種感知真實嗎？我們是否過於重視當下了？
在物理學中，尤其是在相對論中，絕對時間的概念消失了。相對論告訴我們，沒有絕對的時間或空間——一切都是相對的。當我們談論宇宙中的時間時，我們必須選擇一個參照作為時鐘，而時間演化則討論的是宇宙各部分與我們選擇的時鐘之間的關係。
廣義相對論將引力描述為時空彎曲
量子引力如何解釋時間的本質？科學家們正試圖將量子力學和廣義相對論統一為一種稱為量子引力的理論。量子力學和廣義相對論對時間的看法不同。將這些觀點結合起來，就有了惠勒-德威特方程。這個方程解決了一個問題，卻又引出了另一個問題。這個方程不包含時間，給物理學家帶來了一個稱為"時間問題"的難題 。這是否意味着時間在基本自然規律中並不重要？
物理學家卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli ）指出，我們並不能直接看到時間——我們看到的是時鐘。當我們説某物在移動時，是指當時鐘的指針位於某一點時它的位置。雖然我們聲稱用時鐘來測量時間，但我們真正觀察到的是物理元素之間的相互關聯。時鐘的指針只是另一個物理元素。
時空結構
在量子力學中，時間是普遍的、絕對的——它始終如一的滴答聲主宰着粒子之間不斷演化的聯繫。然而，在廣義相對論中，時間是相對的、動態的，它與空間方向 x、y、z 緊密交織成一個四維 “時空 “結構。在物質的作用下，這種結構會發生彎曲，導致附近的物體被拉向它（萬有引力），並改變相對於遠處時鐘的時間流逝。
統一量子力學和廣義相對論的挑戰在於調和二者對時間的不同看法——一個是絕對的，一個是相對的。量子引力的研究進展為如何調和這種矛盾提供了新的見解，有望揭示時間的本質。
時間之箭指向熵增加（無序）的方向
為什麼時間只能向前流動？自 19 世紀以來，一個令人困惑的事實一直困擾着思想家們，那就是物理學的基本定律無法解釋為什麼時間總是向前推移。無論是牛頓定律、愛因斯坦理論，還是量子法則，即使時間倒流，它們也一樣適用。但我們的日常經驗告訴我們這樣一個事實：我們出生、衰老，直至死亡；東西破碎、混合，無序增加。時間似乎只能沿着一個方向前進，儘管科學規律並沒有明確禁止它走向另一個方向。熱力學第二定律最好地説明了時間的這種單向性，它指出孤立系統的無序性（或熵）通常會隨着時間的推移而增加。這意味着隨着時間的推移，事物會變得更加無序。例如，將冰塊放入熱咖啡中，咖啡冷卻的同時冰塊也融化了，但這個過程只朝一個方向進行——就像一條單行道。
麥克斯韋妖
如果我們能讓時光倒流，那就意味着減少無序。在 19 世紀一個名為 “麥克斯韋妖 “的思想實驗中，一個小妖可以將盒子中的快慢氣體分子分開。然而，事實證明，這個 “小妖"必須消耗能量，併產生更多無序，從而增加了宇宙的整體無序性。最近的一項實驗聲稱，研究人員在大約 60 個原子的系統中複製了麥克斯韋妖，使系統的無序度降低了 2.44。這對量子計算來説可能是件大事。有人認為如果麥克斯韋妖能在更大範圍內發揮作用，時間逆轉或許是可能的，但這並不意味着我們可以回到昨天。
當你以接近光速運動時，時間膨脹是如何發生的？在狹義相對論中，當你相對於另一參照系中的觀察者以接近光速的速度移動時，就會發生時間膨脹。在你的參照系中測量的時間稱為固有時間。當你測量他人的時間時，你會發現你的參照系正在經歷膨脹的時間。
時間不是一個絕對的概念——它是相對的。並不存在一個滴答作響的時鐘為全宇宙報時。把時空結構想象成一個網格，每個網格的四角都有一個時鐘。如果你同時啓動所有這些時鐘，你會發現儘管是在同一時間啓動，但每個時鐘的滴答聲都不同步。
時鐘滴答的速度取決於觀察者之間不斷的相對運動。宇宙中各處的時間流速並不相同。它還取決於觀察者之間的距離。觀察者之間的距離越遠，時間差就越明顯。簡單地説，如果你在太空中旅行的時間不多，時間對你來説就會流逝得更快。但如果你在空間中移動得多，時間似乎就會變慢。我們生活在一個由一維時間和三維空間組成的四維宇宙中。空間和時間並不是獨立的，而是相互關聯的。時空是一個保持不變的量，維持着光速保持不變。
光速在任何參照系中都是相同的——這是狹義相對論的第二個假設。接下來的挑戰是確定誰是運動的，誰又是靜止的。相對運動的概念可能令人困惑。例如，如果你在閲讀這篇文章時認為自己處於靜止狀態，那麼你就忽略了這樣一個事實：你所在的地球，正以平均每小時 67,000 英里的速度繞着太陽旋轉。與此同時，太陽也在以每秒 220 公里的速度圍繞銀河系旋轉。萬物之間都處於相對運動狀態。
宇宙中不存在絕對靜止和運動的概念。鑑於靜止和運動的不確定性，我們如何確定時間膨脹發生在哪個參考系中？
想象你手裏拿着一個時鐘站在地球上，另一個人在宇宙飛船上觀察。你可能會斷言自己處於靜止狀態，而飛船裏的人處於運動狀態。然而，從時空的角度來看，飛船裏的人可能會認為他們處於靜止狀態，而你在向後運動。兩個觀察者在各自的參照系內都是正確的。辨別哪個參照系處於靜止或運動狀態的關鍵在於加速度。勻速運動的參照系被認為處於靜止狀態，而加速運動的參照系則被認為處於運動狀態。
雙生子佯謬眾所周知的雙生子佯謬就源於這個問題。想想看，你有一個雙胞胎兄弟，你們的年齡相同。現在，我們把你兄弟送上一艘速度接近光速的飛船。根據飛船上的時鐘，他將在 1 個月後返回地球。從你的角度來看，你處於靜止狀態，你的雙胞胎兄弟則在飛船上度過了 10 年。然而，從你的雙胞胎兄弟的角度來看，你在向後移動，而他的飛船處於靜止狀態。當他回來時，你是更年長的那一位，這就產生了誰更老的悖論。
解決這個悖論的方法很簡單。當他們之間存在恆定的相對速度時，不可能確定誰處於靜止誰處於運動狀態。但是，如果你的雙胞胎兄弟想返回地球，他就不得不讓飛船減速並掉頭。此時，你的雙胞胎的參照系不再是慣性參照系。這樣，我們就可以認為你的雙胞胎兄弟在運動，他的時間會膨脹，使他成為更年長的那個。
另一方面，如果你的雙胞胎兄弟選擇不掉頭，那麼你們都處在慣性參照系中。相對於對方，你們都處於靜止狀態，永遠不會相遇。在這種情況下，就不存在悖論了。如果你們想重逢，就必須有人掉頭。時間膨脹的確是一種物理現象，只不過它取決於參照系。
“過去、現在和未來的區別只是一種頑固不化的錯覺”。
——阿爾伯特·愛因斯坦
作者：Areeba Merriam
翻譯：小聰
審校：利有攸往