逝者如斯夫，不舍昼夜，你，真的懂时间吗？_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-12-06 16:00
时间是自然界的一大谜团，人们对时间的真谛争论已久。时间是事件从过去到现在，再到未来的连续流动。时间帮助我们组织事件，把握过程，了解事物的变化。时间可以看作是三维空间之外的第四个维度。我们理解空间和时间如何共同作用的主要方式是广义相对论。时空的理论和实验研究进展表明，时间会发生扭曲和扩张，尤其是在黑洞边界附近。
**牛顿是如何理解时间的？**绝对的、真实的、数学的时间，从其自身的性质出发，均衡地流动着，与任何外部事物无关。
——艾萨克·牛顿
艾萨克·牛顿
牛顿认为，绝对时间是可测量但不可察觉的，只有通过数学才能真正理解它。对他来说，一维绝对时间和三维宇宙几何是客观实在****独立和分开的两个方面。在绝对时间的任何给定点上，宇宙中的所有事件都是同时发生的。
爱因斯坦是如何看待时间的？时间是相对的，它的唯一价值取决于我们在时间流逝时做了什么。
——阿尔伯特·爱因斯坦
阿尔伯特·爱因斯坦
然而，爱因斯坦在 20 世纪初提出狭义相对论后，对同时性的概念提出了质疑，使其失去了在牛顿理论中长期占据的地位。根据相对论，同时性并不是事件之间的绝对关系。在一个参照系中同时发生的事件，在另一个参照系中可能并不同时发生。爱因斯坦认为，宇宙并不存在单一的计时器。一个事件的精确发生取决于一个人相对于他正在观察的事物的确切位置。
相对论和量子理论都表明，展现在我们面前的现实是一种可观测的现实。这意味着，就时空而言，空间坐标和时间坐标都是可观测的物理量，都是从潜在的现实中产生的。就时间而言，则产生了一个问题——过去、现在或未来的事物是否意味着就是真实的事物？如果我们把重点放在基于物理知识的分析上，那么时间概念有两个基本方面。首先最明显的一个方面是对时间流逝的感知，过去、现在和未来的概念正是建立在这一感知的基础之上，阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）将其定义为时间之箭，强调了时间的不可逆转性。第二个方面是卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）定义的 “统一性缺失”，指的是时空相对论，它以对物理事件的感知为基础，使过去、现在和未来成为一个任意的概念。
**时间是真实存在的，还是只是一种幻觉？**时间是一种幻觉。它只存在于我们思考过去和未来的时候，并不存在于此时此地。
——玛丽娜·阿布拉莫维奇
为什么时间是一个值得讨论的话题？它给人的感觉是真实的、无处不在的、稳步向前的。它像河流一样流淌，总是按照明确的顺序前进，一件事接着一件事，你可以测量事件之间的时间间隔。但这一切究竟是时间的真实写照，还是我们对时间的想象？也许时间并不像它看起来那么平滑和恒定。
在爱因斯坦相对论的支持下，将宇宙想象成一个四维时空结构。每个事件在时空中都有自己的坐标或位置。时间是无时态的，所有点都同样 “真实”，这意味着未来和过去与现在一样真实。那么，我们人类的视角是否欺骗了我们？我们觉得时间是流动的、流逝的、有明确方向的，这种感知真实吗？我们是否过于重视当下了？
在物理学中，尤其是在相对论中，绝对时间的概念消失了。相对论告诉我们，没有绝对的时间或空间——一切都是相对的。当我们谈论宇宙中的时间时，我们必须选择一个参照作为时钟，而时间演化则讨论的是宇宙各部分与我们选择的时钟之间的关系。
广义相对论将引力描述为时空弯曲
量子引力如何解释时间的本质？科学家们正试图将量子力学和广义相对论统一为一种称为量子引力的理论。量子力学和广义相对论对时间的看法不同。将这些观点结合起来，就有了惠勒-德威特方程。这个方程解决了一个问题，却又引出了另一个问题。这个方程不包含时间，给物理学家带来了一个称为"时间问题"的难题 。这是否意味着时间在基本自然规律中并不重要？
物理学家卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli ）指出，我们并不能直接看到时间——我们看到的是时钟。当我们说某物在移动时，是指当时钟的指针位于某一点时它的位置。虽然我们声称用时钟来测量时间，但我们真正观察到的是物理元素之间的相互关联。时钟的指针只是另一个物理元素。
时空结构
在量子力学中，时间是普遍的、绝对的——它始终如一的滴答声主宰着粒子之间不断演化的联系。然而，在广义相对论中，时间是相对的、动态的，它与空间方向 x、y、z 紧密交织成一个四维 “时空 “结构。在物质的作用下，这种结构会发生弯曲，导致附近的物体被拉向它（万有引力），并改变相对于远处时钟的时间流逝。
统一量子力学和广义相对论的挑战在于调和二者对时间的不同看法——一个是绝对的，一个是相对的。量子引力的研究进展为如何调和这种矛盾提供了新的见解，有望揭示时间的本质。
时间之箭指向熵增加（无序）的方向
为什么时间只能向前流动？自 19 世纪以来，一个令人困惑的事实一直困扰着思想家们，那就是物理学的基本定律无法解释为什么时间总是向前推移。无论是牛顿定律、爱因斯坦理论，还是量子法则，即使时间倒流，它们也一样适用。但我们的日常经验告诉我们这样一个事实：我们出生、衰老，直至死亡；东西破碎、混合，无序增加。时间似乎只能沿着一个方向前进，尽管科学规律并没有明确禁止它走向另一个方向。热力学第二定律最好地说明了时间的这种单向性，它指出孤立系统的无序性（或熵）通常会随着时间的推移而增加。这意味着随着时间的推移，事物会变得更加无序。例如，将冰块放入热咖啡中，咖啡冷却的同时冰块也融化了，但这个过程只朝一个方向进行——就像一条单行道。
麦克斯韦妖
如果我们能让时光倒流，那就意味着减少无序。在 19 世纪一个名为 “麦克斯韦妖 “的思想实验中，一个小妖可以将盒子中的快慢气体分子分开。然而，事实证明，这个 “小妖"必须消耗能量，并产生更多无序，从而增加了宇宙的整体无序性。最近的一项实验声称，研究人员在大约 60 个原子的系统中复制了麦克斯韦妖，使系统的无序度降低了 2.44。这对量子计算来说可能是件大事。有人认为如果麦克斯韦妖能在更大范围内发挥作用，时间逆转或许是可能的，但这并不意味着我们可以回到昨天。
当你以接近光速运动时，时间膨胀是如何发生的？在狭义相对论中，当你相对于另一参照系中的观察者以接近光速的速度移动时，就会发生时间膨胀。在你的参照系中测量的时间称为固有时间。当你测量他人的时间时，你会发现你的参照系正在经历膨胀的时间。
时间不是一个绝对的概念——它是相对的。并不存在一个滴答作响的时钟为全宇宙报时。把时空结构想象成一个网格，每个网格的四角都有一个时钟。如果你同时启动所有这些时钟，你会发现尽管是在同一时间启动，但每个时钟的滴答声都不同步。
时钟滴答的速度取决于观察者之间不断的相对运动。宇宙中各处的时间流速并不相同。它还取决于观察者之间的距离。观察者之间的距离越远，时间差就越明显。简单地说，如果你在太空中旅行的时间不多，时间对你来说就会流逝得更快。但如果你在空间中移动得多，时间似乎就会变慢。我们生活在一个由一维时间和三维空间组成的四维宇宙中。空间和时间并不是独立的，而是相互关联的。时空是一个保持不变的量，维持着光速保持不变。
光速在任何参照系中都是相同的——这是狭义相对论的第二个假设。接下来的挑战是确定谁是运动的，谁又是静止的。相对运动的概念可能令人困惑。例如，如果你在阅读这篇文章时认为自己处于静止状态，那么你就忽略了这样一个事实：你所在的地球，正以平均每小时 67,000 英里的速度绕着太阳旋转。与此同时，太阳也在以每秒 220 公里的速度围绕银河系旋转。万物之间都处于相对运动状态。
宇宙中不存在绝对静止和运动的概念。鉴于静止和运动的不确定性，我们如何确定时间膨胀发生在哪个参考系中？
想象你手里拿着一个时钟站在地球上，另一个人在宇宙飞船上观察。你可能会断言自己处于静止状态，而飞船里的人处于运动状态。然而，从时空的角度来看，飞船里的人可能会认为他们处于静止状态，而你在向后运动。两个观察者在各自的参照系内都是正确的。辨别哪个参照系处于静止或运动状态的关键在于加速度。匀速运动的参照系被认为处于静止状态，而加速运动的参照系则被认为处于运动状态。
双生子佯谬众所周知的双生子佯谬就源于这个问题。想想看，你有一个双胞胎兄弟，你们的年龄相同。现在，我们把你兄弟送上一艘速度接近光速的飞船。根据飞船上的时钟，他将在 1 个月后返回地球。从你的角度来看，你处于静止状态，你的双胞胎兄弟则在飞船上度过了 10 年。然而，从你的双胞胎兄弟的角度来看，你在向后移动，而他的飞船处于静止状态。当他回来时，你是更年长的那一位，这就产生了谁更老的悖论。
解决这个悖论的方法很简单。当他们之间存在恒定的相对速度时，不可能确定谁处于静止谁处于运动状态。但是，如果你的双胞胎兄弟想返回地球，他就不得不让飞船减速并掉头。此时，你的双胞胎的参照系不再是惯性参照系。这样，我们就可以认为你的双胞胎兄弟在运动，他的时间会膨胀，使他成为更年长的那个。
另一方面，如果你的双胞胎兄弟选择不掉头，那么你们都处在惯性参照系中。相对于对方，你们都处于静止状态，永远不会相遇。在这种情况下，就不存在悖论了。如果你们想重逢，就必须有人掉头。时间膨胀的确是一种物理现象，只不过它取决于参照系。
“过去、现在和未来的区别只是一种顽固不化的错觉”。
——阿尔伯特·爱因斯坦
作者：Areeba Merriam
翻译：小聪
审校：利有攸往