时间源头从哪里开始 对于宇宙来说时间概念毫无意义

伤我心太深

“死亡”，“结婚”，“出生”。将这些词语排列成人的一生一点儿也不费劲。这要感谢存在于我们大脑中的时空感，它简单明了：坟墓总是要排在子宫之后，不会出现其它情况。

但是在基本层面上，时间的起源是一个谜。“这是科学前沿最深奥的一个问题，但是当我们质问‘时间是什么？它从何而来？’时，其含义是含混不清的，”新泽西普林斯顿高级研究院（IAS）的物理学家尼马·阿尔坎尼·哈米德（Nima Arkani Hamed）这样说，“因为我们无法想像没有时间的世界和没有时间的物理学，仅此而已。”

与担心失去时间而给我们带来的困惑相伴而来的，却是越来越多的相反证据。这些证据表明，在大多数基本层面的现实中，时间是一种假象。而更为奇特的是，实验室中的激光测试，以及我们在超弦理论——这个认为粒子是由微小能量线组成的理论框架认知方面的进展正在指出，时间实际上并不存在。

在不到一个世纪之前，人们印象中的时空观念还远没有这么复杂。物理学家非常快乐地在确定的三维空间背景上追踪物体的移动轨迹，并用上帝提供的唯一秒表计算它们的速度。他们相信秒针的跳动无论在宇宙中的何处都拥有相同的速率。但是到了20世纪早期，物理学上的两大的变革打乱了这种看法。

第一个变革是爱因斯坦的相对论。它将时间和空间编织在一起，使其成为一个灵活的四维结构。爱因斯坦称这个结构为“时空”。时空会被大质量的物体影响，产生一个曲面。质量较小的物体能够沿着这些曲面，向较大质量的物体滚动。这一现象即是宇宙中无处不在的引力。在这个新的宇宙理论中，时间不再是一成不变的旁观者，而是一个与空间交织在一起并与之相互关联的维度。与其它可测且确定的维度不同，时间是相对的。爱因斯坦相对论表明，时钟运行的速率会因它在空间中的运动和邻近大质量物体引力影响而发生变化。

第二个是量子力学。量子力学是研究亚原子领域的物理学。量子力学中的微观世界表现得相当奇特。例如，两个粒子可以进入一种“纠缠”态。在这样的状态中，它们的活动会同步。实验证明，其中一个粒子的活动会即刻影响到另一个，无论它们相距有多远。换而言之，这两个相距遥远的粒子会在瞬间发生通讯。这显然违反了没有物体的运动速度可以超过光速这一定律，也与时间本身的概念不符。

越来越多的证据表明，在大多数基本层面的现实中，时间是一种假象。更奇怪的是，时间实际上并不存在。

但是真正的“时间问题”是在20世纪60年代开始浮现的，当时物理学家试图将这两大理论框架合二为一——它们中的每一个都能够很好地在它们自己的领域内解释我们的宇宙，一个极小，一个极大。于是人们试图获取一种能够“解释一切的理论”，一种能够涵盖所有尺度的规则。其中最有名，也最有争议的假说来自新泽西的物理学家，普林斯顿大学的约翰·惠勒（John Wheeler），以及IAS的布莱斯·德维特（Bryce DeWitt）。这两位科学家试图用量子力学来解释宇宙中的一切——他们想把种微观的物理学应用到行星、星系和其它大尺度的宇宙结构上。许多人都怀疑他们的尝试是否有效，正如意大利都灵研究和测量国家学院（INRIM）的量子物理学家马可·吉诺维斯（Marco Genovese）所言，没有证据表明量子定律在整个宇宙中都适用。但是至少这种将两种理论数学形式结合起来的尝试本身还是有价值的。

这两位物理学家在把爱因斯坦的相对论方程式和量子物理结合起来后，便被吓到了。在这两种体系中，时间都是一种变量，各自贯穿在事件的发展中。但是当这二者相结合后，时间变量几乎完全地从数学方程式中消失了。他们还搞出了一个新的方程式，来解释宇宙的行为，但是在这个数学描述中，也没有表示变化或者时间的变量。“惠勒-德维特方程式显示宇宙是静止不变的，”吉诺维斯说，“但是，很显然，我们都在经历时间和变化。”

宇宙不变的结论显然是错的。然而物理学家们没能在惠勒和德维特的演算过程中找到任何失误。那么他们可能是误以为整个宇宙都能够用量子术语来描述了。但是也存在另一种有趣的可能性。这种可能性是20世纪80年代由物理学家唐·佩奇（Don Page）和威廉·沃特斯（William Wooters）提出的。他们现在一个在加拿大艾德蒙顿阿尔伯塔大学，一个在马塞诸塞州威廉姆斯镇的威廉姆斯学院。

佩奇和沃特斯认为，针对这个有争议的概念，其实可以视整个宇宙为一个巨大的量子物体——它和电子、质子和其它亚原子世界中的微小粒子遵循着同样的物理定律。他们想像能够把宇宙分成两部分。基于量子定律，这两部分会发生纠缠。实验表明，两个处于纠缠态的粒子会保持同步，但是其中一个会以相反方式活动。假如一个以顺时针方向旋转，那另一个就会在瞬间以逆时针方向旋转。因此，假如将两者累加，它们属性就刚好抵销。佩奇和沃特斯认为，宇宙的运作也是以同样方式进行的。间隔开的宇宙各部分都在各自独立地发展，但是由于它们处于纠缠态，其中一部分的变化会被另一部分平衡掉。因此对于这部分宇宙内的人来说，时间在流逝；而对于外部的观察者来说，宇宙是静态的。

佩奇和沃特斯提出的这个基于量子纠缠的理论草图认为宇宙对于外部观察者来说可能是静态的，这一想法看上去似乎没有办法来证明。但是2013年，吉诺维斯和他同事在实验室中进行了一项测试实验，他们至少在实验室环境中创造出了一个仅由两个光子组成的微型宇宙模型。这一实验想要证明的是，存在一种外部观察不变而内部处于演化中的量子状态是可能的。

为了做这个实验，吉诺维斯需要监视光子的极化状态——它们颤动的方向。如果一个极化的粒子能够以一个恒定的速度旋转，那么它在某一时刻的位置就可以在时间间隔上作出标记，这就像时钟上的秒针一样。两个纠缠在一起的光子极化状态是相反的。在瞬间，如果其中一个的极化状态是上下移动，那么另一个就会是左右颤动。

“我们看到的是宇宙的开始，时间的概念在此毫无意义。”

为了让他们的光子“秒针”开始走动，小组决定让它们通过石英板，使它们极化并开始旋转。旋转的值与它们通过石英板的实际时间有关，这使物理学家们有了能够测量时间的方法。他们将这一实验做了许多次，每一次都在不同的时刻停止，并测量其中一个光子的极化状态。“通过对第一个‘时钟’光子的测量，我们就与之纠缠在了一起，”吉诺维斯说。“这意味着我们成为了那个宇宙的一部分，并且可以由此获知另一个粒子的变化。”基于这一能力，小组确认，当测量其中一个光子时，另一个光子就会发生变化。这和沃特斯和佩奇所认为的，假如测量宇宙的一部分，那么就另一部分宇宙就会发生演化是相同的道理。

当然，吉诺维斯仍然需要验证这个假说的第二部分：把这一对处于纠缠态的粒子作为一个整体从外部来观察时，它应该是静态的。在这部分实验中，小组站在了宇宙外“超级观察者”的角度。外部观察者不可能看到两个光子中任意一个的单独状态，因为如果这么做了，他就会和这两个光子纠缠在一起，并成为一个内部观察者。因此观察者只能够测量这对光子的联合状态。小组将这一测试进行了许多次，并停止在不同的点。他们将这两个光子视为一个联合的整体并测量它们的联合极化状态。每一次他们都能确认这两个纠缠在一起的光子的极化状态都相同，但方式各不相同。无论过去多久，这两个光子表现得非常平静并且像是一个整体。因此这个迷你宇宙从外界观察是静态并且完全没有变化的。这证明了惠勒和德维特发现的所谓“时间问题”，可以通过假设时间是量子纠缠产物来解决。

在过去数十年间，对虚无缥缈的时间本质问题的支持也在超弦理论中出现。这一理论最初出现于20世纪60年代，用以描述原子中将基本粒子结合成原子的强核力。在对强互作用力进行研究时，物理学家们有了一个关于亚原子粒子——这些据信是宇宙中最小的物体的观点，即它们实际上是由微小的振动的弦组成的。

这个对自然界基本构造的理解方式具有深远的意义。它证明超弦理论对惠勒和德维特这样的研究者来说是有多么的重要，这些研究者想要把相对论和量子力学合二为一。而对于了解宇宙大爆炸后不久，所有物质都被挤压在一个极小体积内的宇宙看起来是什么样子需要有这样统一的框架。一个统一的理论也有助于了解黑洞——这些在引力的作用下，所有物质坍缩成一个无体积小点的恒星尸骸内究竟在发生什么。

在超弦理论之前，物理学家想要把相对论和量子力学方程式合并起来会遇到麻烦。合并后的数学公式会告诉我们，我们周围充满了无穷小的点，它们包含着无穷多的能量——这等于说我们被无所不在的黑洞所包围着。这当然不是真的。超弦理论通过假设宇宙中最小的组成部分是弦而回避了这一问题。这意味着在方程式中，不必担心空间区域会小于最基本的限制，它排除了通过数学预测而出现的无穷大能量或其它不可能产生的结果的干扰。通过超弦理论，研究极大和极小的物理学开始能够和平共处——至少在超弦理论面前是这样。

但是弦的尺度又产生了一个新的问题，这个问题是关于空间的，也是关于时间的。这是因为超弦理论认为没有任何实验，无论是多么精确的实验，能够将小于单一弦距离中发生的一切展示给我们。“短距离中发生的事情，”IAS超弦理论学家内森·赛伯格（Nathan Seiberg）解释说，“是一个模糊不清的概念——也许空间是存在的，但是我们无法测量它；也有可能根本没有东西可以供我们测量。”这意味着空间在一个确定的限制之下，不能简单地存在。由于爱因斯坦在他的相对论中向我们展示了时间只是另一个和空间类似的维度，因此“如果空间变得模湖不清，那么时间也会是一样，”赛伯格说。“人们常会问：‘大爆炸发生之前发生了什么？’但是我们看到的是宇宙的开始，时间的概念在此毫无意义。”

作为宇宙要素，量子纠缠比时间和空间更为基础。

赛伯格指出，这一概念上的模糊不清给了超弦理论学家第一个提示，提示他们在基础层面上，时间可能并不存在。实际上，我们的时间体验可能是建立在某种基础之上的。这有点类似于温度。温度是由一组原子的运动所带来的。单一原子不可能产生温度；热和冷的感觉只意味着你测量到了一大批原子的平均速度：移动快的粒子温度要高于移动慢的。与此相似的是，可能是某种基础的“微粒”共同让我们产生了时间的体验。但是那些“微粒”是什么呢？好吧，“这个问题值64000美元（意为很难回答的重大问题），”赛伯格说。

更奇怪的是，超弦理论研究中的最新进展指出，时间的种子播种在现实的各个角落。这一观点植根于20世纪90年代晚期由超弦理论学家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena）设计的一个古怪的宇宙模型。那时他在哈佛大学研究寻找一种能够将量子力学和相对论结合起来的数学方式。他觉得他可以通过超弦理论找到这种方式。

马尔达西那想像宇宙就像一个汤罐子，它的边界是无穷远的。罐子里有弦和黑洞，它们的行为由引力支配。罐子的表面是普通的亚原子粒子，它们间的互动遵循量子力学定律。虽然马尔达西那的这个汤罐子和我们这个宇宙不太像，但还是有助于他了解在最深的层次上，自然法则是如何联系在一起的。

在这个模型中，广义相对论统治着罐子里的浩瀚三维空间，量子力学则支配罐子二维表面的粒子。马尔达西那凭直觉预感到，这两组定律在某种程度上是等效的，罐内的引力效应会与罐子表面的量子过程相符，这就像投射在罐壁上的影子一样。运用这一数学模型，马尔达西那实际上发现了每一个发生在罐子表面的量子过程，都有一个发生在罐子内的等效事件相对应。马尔达西那等人发展出的这个理论模型指出，发生在汤罐表面的量子粒子纠缠能够通过隧道或“虫洞”的创建，在其内部领域中重写它们的图案。这表明，量子纠缠本身可能是产生时间和空间特性的基本宇宙过程。

这一观点也被温哥华不列颠哥伦比亚大学超弦理论学家马克·范·拉姆斯东克（Mark van Raamsdonk）所支持，他研究了马尔达西那的汤罐模型。运用数学模型，他发现汤罐表面粒子纠缠状态的逐渐减弱，会导致罐子内时空结构的崩溃。这表明量子纠缠在某种意义上扮演着连结时空线索纽带的角色；没有了它，时空结构本身也将不复存在。

作为宇宙的要素，量子纠缠比时间和空间更为基础。马尔达西那的模型为这一观点提供了更多的支持。时间已经出局，它不再是现实的基本层面；它是从基本的“颗粒”中产生的。但是当不断涌现的物理学观点认为时间是一个假象时，它所隐含的力量也在变大。“我的直觉告诉我，这不仅仅是要重写量子物理学，其它领域也要有全面的突破，”赛伯格说。“也只有时间它自己能够告诉我们，这会是一场什么样的变革。”

作者为伦敦自由科学撰稿人，美国“基础问题研究所”编辑。

文/Zeeya Merali
图/Chad Hagen
译/老孙