什麼是時間？

在我們最近有關科學小說的民意調查中，科學事實項目告我我們大家最想知道的是“什麼是時間”。經過採訪亞利桑那州立大學的理論物理學家、宇宙學家，《超越》雜誌主編Paul Davies，我們得到了想要的答案——科學概念的中心。

每一個人都了解什麼時間。我們可以實際地感到時間的流逝。時間嚴格的按照它既定的規律運行，即持續性與不可逆性。時間一直被西方世界所控制，它是我們最珍貴的財富。但是在物理學家眼中，時間是可以變形的，它可以扭曲甚至崩潰。時間到底是什麼呢？

在歷史上的，人類認為時間就像自然的旋律，季節的更替，天體的循環。這樣的觀點也許在今日看起來相當幼稚，那是因為現代的時鐘可以對時間進行精確的記錄，而天體卻不能。而且我們現在也認為時間是普遍存在的東西，即使所有的時鐘、所有天體，所有人造產品都停止運行，它依然一刻不停地流逝。絕對時間是可以被測量的，而且他對所有的觀察者都是一樣的。這一切被牛頓用簡單的概念詮釋為：“絕對、真實及數學的時間本身，從其性質來說，均勻流逝與此外的任何事物無關。”

愛因斯坦的時間

牛頓的絕對時間概念野獸般精確地定義著我們每天的生活，但是在愛因斯坦1905年發表的《狹義相對論》中，這個概念被否定了。“愛因斯坦認為這裡並不存在標準時間”，Davies解釋說，“你的時間和我的時間決定於我們的移動速度。”換句話說，兩件事情間隔的時間根據我們在這兩件事情間的移動速度來決定。

實際上，根據愛因斯坦假設的時間隧道效應，光速在所有觀察者眼中是不變的，無論他們移動的多快。試想兩個觀察者，一個正在火車上旅行，而另一個在火車旁邊靜止。當兩個觀察者垂直發射一束雷射，兩個個觀察者會對雷射照射在天花板上移動過的距離產生異議，因為靜止的觀察者認為雷射不僅僅只有垂直速度也應該有與火車相同水平速度。

因為兩個觀察者測量的光速都是一樣的，因為速度是單位時間內前進的距離，這就意味著他們對光束傳播用時定義不同。時間與測量者有關就像物理學家Kip Thorne喜歡說的，時間是個人的。（如果你想知道得更多，請閱讀什麼是相對論。）

在日常生活中，我們並沒有感覺到這種時間膨脹，但是它並不至於小到無法測量。“如果我從鳳凰城飛到倫敦再返回，然後將我的表與放在辦公室的比較，他們會有十億分之一秒的誤差”戴維斯說。對人類來說這只是很小的一個數字，但是對於現代的計時技術，測量如此小的數字是易如反掌的。

事實上，時間膨脹對於我們大多數人都依賴的全球定位系統有著真實的影響。這套系統所使用的衛星運行速度非常高，Davies解釋說，如果你沒有把高速移動對時間的影響考慮進去，你們的GPS系統將很快地堆積錯誤，並且在一到兩個小時中你就會迷路。所以時間膨脹是真實存在的，而不是某些瘋狂的數學家的臆想。

其實，運動不是唯一可以是時間膨脹的東西。在他1916年發表的廣義相對論中，愛因斯坦證明了重力可以減慢時間。愛因斯坦認為，重力不僅僅是一種在宇宙中不可見的力，具有巨大質量的物體可以很大程度上扭曲時空。這裡有一個著名的例子，一個保齡球放在彈簧床上，如果在床上扔一塊大理石，大理石會是床產生下陷，於是球會滾進去。根據廣義相對論，高質量的物體例如行星，它們可以以相同的方式扭曲宇宙，同時吸引周圍的其他星體。但是，愛因斯坦意識到，時間和空間是無法分割的一體，所以他稱它們為時空，重力的翹曲效應不僅作用於空間，也作用於時間。

“重力影響了時間，所以時間在你家地下室裡要比在房頂上慢一點。” Davies說，“這種影響很小，但是仍然可以測量，即使在距離上來說它們很微小。但假如你希望重力對時間有巨大的影響，那麼你就不得不去一個有著極大的重力場的地方。舉個例子，假如你在中子星的表面有一個時鐘，那麼它的運行速度只有在地球的70%。最終極的時間扭曲發生在黑洞的表面，在那裡從某種意義上說時間仍是我們的時間。如果你到了那裡，你不會感覺到時間有什麼特殊，但是如果你比較一下兩地的時鐘，它們會有相當巨大的不同。”

愛因斯坦根據他的結果得出了一個有關自然時間的有意思的結論。在一封給最近去世的朋友Michele Besso家人的信中愛因斯坦寫到：“對於我們物理學家來說，過現未來的區分只是一個幻象，儘管看起來很真實。”因為時間與觀察者相關，所以我們就不能用某種即使普遍認為是有意義的方法將時間分成過去，現在，未來。從某種程度上說，過去，現在，未來都在同一時刻同一地點。

“這種觀點有時被叫做塊時間（block time），但是我喜歡叫它時間柱（timescape），因為這有一點像風景，”Davies 說，“如果你在看一個地圖，那麼整個風景就是擺在你面前的地圖此刻的全貌，假如你在地圖上定義了第四維度——時間，那麼全部時間都在這裡。實際上，在物理學中，‘此刻’仍然是一個迷。”

順便一說，在愛因斯坦的理論中沒有什麼能阻止時間旅行，通過它可以走向未來也能回到過去。但是最麻煩的卻是我們沒法開啟時間旅行，你可以讀一讀Kip Thorne 的文章Is time travel allowed。

時間箭頭

過去和未來帶給我們的另一個問題已經被科學家和哲學家解決了：為什麼時間總是朝著一個方向流逝。在生活的每一天，時間箭頭總是很明顯地指向他的方向。假如你讓電影倒帶播放，你會發現任何事情都帶有明顯的時間方向性質，就像有東西拉著他們：時間箭頭。例如，雞蛋很容易變成雞蛋餅，但是卻不能變回雞蛋。咖啡和牛奶在杯子中混合，但是卻不能再一次把他們分開。

最明顯的例子就是宇宙的進化史，正如科學家所相信的，宇宙開始與130億年前的大爆炸，從那時起宇宙開始不斷膨脹。當我們審視這段包括我們自己歷史的時候，我們可以很清楚的看到時間箭頭所指的路。

“但是這個迷作為物理定律置於未來和過去中間。”Davies說。例如，如果你通過一定的力是的某個物體向前移動，同時就如牛頓第二定律所描述的，你可以是把這個物體放回原位置通過在相反的方向上用相同的力量。所以當你看在電影中看到這個過程的時候，你無法分辨這是在正常播放還是在倒序播放。因為這兩種情況是等可能性的。

Davies說：“現在的問題是如何在每天的生活中解釋時間的非對稱性的，尤其是這定律管理著所有原子，並將它們組成我們身邊的一切，但我們身邊的一切在時間中都是對稱的。”這個問題很大程度上影響了愛因斯坦的物理學說就像他影響牛頓傳統物理學對世界的描述一樣。

但是，問題的答案並不難以尋找。絕大多數我們感覺在時間上不可逆的過程不論什麼原因，他們都開始於非常特別的，高度有序的狀態。Davies 用了一盒撲克給我們舉例子。當你剛剛打開一盒新的撲克牌是，他們按照花色和數量排好了順序。當你洗牌的時候他們就會被打亂，所以看起來就是時間流逝，某些東西從有序變成無序。“我們可能會想，這種現象非常奇怪，因為在洗牌的時候我們沒有任何動作去選擇方向，但是我們可以看到時間箭頭。”Davies如是說。

但是，這裡也沒有某種物理定律使得洗牌不能使撲克完美有序。完美的排序只是8 × 1067種可能性中的一種狀態，所以當我們洗牌的時候，我們也是有機會把撲克完美排序的，雖然這樣的機會近乎為零。所以這麼小的幾率也許我們洗上幾輩子的牌也不一定能碰得到。

所以表面上對稱的時間實際上卻是不對稱的幾率。一個由許多部分組成的系統，例如一杯混合了牛奶的咖啡，盛滿蛋清的杯子，他們從有序變成無序不是因為相反的過程不可能，而是因為機率很小。簡單來說，熱力學第二定律表明在一個封閉的系統中，熵是不會降低的。這是統計學原理，而不是描述單個原子行為的基本物理法則。很顯然時間箭頭成為了宏觀系統的一種性質，但沒有定律來控制單個原子間的相互作用。物理學家John Wheeler說：“如果你問一個原子時間之箭在哪裡，它就會當面笑話你。”

這個道理同樣應用於宇宙。Davies說：“宇宙的開始與膨脹都很平穩。”從重力學的觀點來看，宇宙大爆炸時其處於低熵的狀態，從那時開始因為時間箭頭，宇宙的熵一直在增大。問題是為什麼宇宙因大爆炸開始。“為什麼我們的宇宙從一個有序的狀態爆炸至今仍然是一個謎，”Davies說，“對於這個一直沒有讓大家共同認同的答案，一定程度上說，至今仍然沒有一個可以令人信服的宇宙模型。我們都知道宇宙從大爆炸開始，也知道他在不斷膨脹。我們不知道的是大爆炸是不是時間的開始或者時間在大爆炸之前就有了。”

時間消失

目前為止，有一件事被我們一直忽略，那就是愛因斯坦的理論對於宏觀世界的描述非常完美，但是他的理論在微觀世界就行不通了。為了描述在原子以及原子內部量級的世界，我們需要把視線引向量子力學。量子力學與愛因斯坦的理論有著本質上的不同。融合兩者，我們創造出了量子引力理論，它是當代物理學的核心。

當薛丁格和海森堡在二十世紀二十年代將量子力學公式化，他們無視了愛因斯坦的工作，用牛頓的思想對待時間，即時間是在不知不覺中恆定流逝的。這已經給我們稍稍解釋了為什麼這兩種學說難以融合的原因。在量子力學中，時間概念也產生了麻煩的問題，而且導致了“幾十年的混亂和微妙”，就像Davies所說。

這裡，我們不會陷入混亂，但是當你把宇宙看為一個整體（一種極具爭議的方式，並沒有的到所有物理家的贊同）並將量子力學應用於它的時候，我們將提起那些未解之謎。Davies說：“如果你想用量子力學來描述整個宇宙，你會發現時間參數在方程中消失了，它根本不存在。”時間被相關性代替了。“例如，你可能理解在某些場中宇宙的尺度與重要性的相關性。我們可以這樣描述‘隨著宇宙的膨脹，這個場的數量改變了’。我們用這樣的語言描述它，但是事實上你們大多數在討論物理量的相關性，所以時間可以被完全移除。

有些人如此認為時間從未存在過，但是Davies並不同意。“我認為時間是存在的就像手機是存在的。這是真實的東西，我們可以測量他。但是我們現在討論的描述世界的方式與之前我們曾經討論過的不同。”

時間或者空間都可能是宇宙的一種自然性質，但二者都不是現實的組成。“這可能是對於在宇宙大爆炸時的極端條件下，依靠其他變量進行描述更加合理恰當。當我們發現世界擁有了完善的時間與空間的定義（或者如愛因斯坦所說稱之為時空），那麼它可能處於宇宙特別的狀態，發生了大爆炸。”Davies用橡膠塊舉例子：它擁有自身獨特的物理特性，用它的彈性舉例，但是這裡並沒有原子尺度的道具。他們是原子結合體，根據一定的法則組合在一起。類似的，比如宇宙，當他從大爆炸中冷卻下來，時空產生了。或許，如果他用另一種方式冷卻下來，時空就不會存在了。

但假如時間和空間都不是基本性質，那麼什麼是宇宙的基本性質呢？關於此，還沒有能讓大眾信服的學說。“我們可以創造詞彙來形容他們，但是這些並不會出現在我們的日常生活中。所以我們仍然依賴於數學描述。但是即使有一天我們希望通過某種東西去解釋時間或者空間，那只不過是把問題推向了另一個層次，因為你還需要解釋你解釋時間用的這些東西是什麼。”

現在，我們似乎還沒有想牛頓那樣理解時間，甚至可能我們理解的還要少。不過，科學家的工作並不都在解釋宇宙是什麼，也只有極少數可以解釋的了它。“你常常是用數學方程組來假設一個理論，然後你檢測他是否與現實相違背，”Davies說，“如果方程組有效，你就不必為方程組解釋方程組來自哪裡。這就是你解釋世界最好的嘗試。”

無論什麼是基礎，意外，或者一系列的相關性，事實上，這些是我們稱作時間的那個東西表現自己的方式，而且我們了解它。像一個朋友對我說的，“如果你想知道時間是什麼，那就看看你自己的臉吧。”
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