物理學中的闡釋：時間真的存在嗎？

1.1時間的簡單歷史

200年前，富蘭克林提出了「時間就是金錢」。這句話在新世紀中依然體現著它的意義，時間在21世紀的意義，就像能源一樣重要。

互聯網時代出現後，地域的限制已經不再存在，無論是北京還是上海，只要聯網，都能看到網站的同步更新，這意味著時間實際上已經戰勝了空間。

而測量時間這一活動可以追溯到20000年前：冰河時代的獵人在棍子上或者石頭上劃刻痕用以標記時間。大約5000年前，巴比倫人和埃及人設計了日曆，用以指導種植及其其他活動。

埃及的第一張日曆圖，圖自網路

GPS衛星會持續報告衛星的準確位置以及其上原子鐘記錄的時間，而GPS接受裝置會處理來自至少4顆衛星的信息，並且將其轉化為精確的地理坐標，提供給需要的人。這種裝置要求很嚴格，只要一個衛星的時間偏移百萬分之一秒，就會在GPS接收器上產生5分之1英里的偏差。

1.2感受時間

時間的本質這一古老難題，不僅吸引了物理學家和哲學家的注意，還吸引了人類學家的注意。多餘我們大多數人來說，時間不僅是真實的，還是我們所做一切的主人。

我們清楚的感受到自己被夾在過去與現在之間，或許這和一個基本的生物事實有關：我們的身體充滿了生物鐘，它們支配著我們什麼時候覺得困，甚至什麼時候走向盡頭。生物學家也開始逐漸揭開了生物節律的秘密。於是科學家們逐漸鎖定了大腦的特定區域，這些區域有助於我們感受時間的變化，所以我們開心時就會有時間過得很快的感覺。

歸根結底，時間作為三個空間維度的第四個維度，我們一直以來都對它懷著滿滿的敬佩。

第二章 時間的本質

2.1時間是幻覺？

在你讀這句話時，你大概會認為「此時此刻」，也就是現在，正在發生。「現在」給人的感覺很特別，不論你如何留戀過去，現在都是最真實的，我們有一種深入骨髓的直覺，認為「未來」尚未確定，而「過去」不可更改。這種時間觀念，植根於我們的語言、思維和行為當中。

儘管這種時間觀念非常自然，我們卻找不到任何科學依據支持這一觀念。物理學方程沒有告訴我們哪些事件是正在發生的，並且愛因斯坦的相對論指出，所有時刻都是平等的，都同等於「現實」，特殊的「現在」根本就不存在。如今，物理學中的時間和我們感受的時間已經出現了一道鴻溝，一個合乎邏輯的結論呼之欲出——時間根本就不存在。

這個概念讓人大吃一驚，很難想像它能自圓其說，我們能看到種種改變，頭髮變白等，都是某些屬性相對於時間而發生的改變，沒有了時間，世界就應該完全停止。那麼如果沒有時間，我們又將如何看到這些改變呢？

我們要解釋的，也就是這一點。儘管時間在基本層面上或許並不存在，但它可以在更高層面上產生出來——就像桌子觸摸起來是堅硬的一樣，哪怕它只是很多粒子的組合。（演生屬性是那些高層次具有而低層次不具有的屬性）時間，也許也是一種類似於堅硬的演生屬性。

2.2時間在物理學中的變革

經典物理學假定，事件發生的先後次序，原則上能被所有觀測者認同，因此在牛頓運動定律中，時間為世界上所有事件提供了一份完整的先後次序。不僅如此，時間還必須是連貫的，因此我們定義了速度和加速度。

從本質上講，牛頓提出，這個世界生來就有一個超然的母鍾，母鍾客觀地將世界分割成時間的一個個瞬間。牛頓認為時間的流淌給我們提供了一個箭頭，告訴我們哪個方向才是未來。

每一幀都可以推導出下一幀

直到19世紀末，玻爾茲曼推論出不論時間是正向流淌還是反向流淌，牛頓定律都同樣適用，因為時間本身並沒有內置的箭頭，他提出，過去和未來的差別不是時間所決定，而是宇宙中物質組織過程中的不對稱引起的。

隨後愛因斯坦廢除了絕對同時的概念。根據相對論，事件是否發生取決於你的速度。發生事件的真正舞台不是時間，而是時空。到了1915年，他又提出廣義相對論，將狹義相對論擴展到了存在引力的環境中，傳統時間的處境就更加窘迫了。引力可以扭曲時間，因為這裡的一秒和那裡的一秒不是同一回事。可以說，愛因斯坦讓時間在物理學中產生了第一次變革。

第二次變革就來到了現代物理時代，現代物理的最高目標就是要統一廣義相對論和量子力學，創造出能同時處理物質的引力和量子特性的理論——量子引力論。但時間成了絆腳石。

量子力學稱，物質能擁有的狀態遠遠超出位置和速度之類的範疇。對物質狀態的完整描述，由一個被稱為「量子態」的函數給出，物理學家可以通過這一函數給出實驗結果的概率。這種函數在某種意義上允許在兩個相互矛盾的結果得以共存。例如，在時間上，某個時間點你活著或是死了都是能同時存在的，這種幾率在時間中累加，而不是地點。

目前，在推導愛因斯坦方程時（把電磁學量子化），結果表明完全沒有時間變數，時間t就這麼消失了。按字面意思理解這個結論——時間沒有真正存在過。

那麼改變是怎樣引起的呢？本質上講，改變源於物理體系之間的關聯。我們要做的就是描述兩個物體間的相互關聯，消去作為中介的全局時間。我們可以不把棒球的速度說成5米/秒，而用冰川的改變速度來描述它。不用時間，我們一樣可以描述改變。

各種關聯網

這種相互關聯交織成一張巨網，物理學家把宇宙的運行規律，總結成含有時間項的物理學定律，但我們不能因為時間給了我們方便，就把它當做世界的組成部分了。就像錢一樣，我們不用以物易物，但錢本身不具備價值。時間也一樣，不過是方便而虛構出來的東西，但它並不在自然界中真實有價值的存在。

2.3時間從未流動

時間可視為第四維這個事實並不意味著它和空間的三維一樣，它們以不同的形式存在於物理理論中。但許多物理學家相信在極小的空間和時間尺度上，空間和時間可能會變得沒有區別。

相對論告訴我們，事件的發生取決於你的相對位置和運動方向。如果你和我在一個相對運動中，對於一個事件，我可能會判斷為還處於尚未發生的未來，而對你來說這一事件可能存在於確定的過去中。所以，最直截了當的結論就是，過去和未來都已經確定。基於這個原因，物理學家更喜歡把時間當成總體上已經布局好的全局時間，所有的過去和未來都已經存在了。這個想法被稱為塊時間。總之，在物理學家眼中，時間不會消逝或流動。

傳統時間觀和塊時間的觀點

我們在討論時間流逝時遭遇的困惑，主要源於時間流逝和所謂時間箭頭的關係。不可否認世界上的事件構成了一種單項序列。自然界充滿了不可逆的物理過程，所以熱力學第二定律在世界發揮了關鍵作用，也導致了時間軸上過去和未來兩個方向出現了明顯的不對稱。

物理的不可逆過程使得時間流動成了世界的一個客觀性質。

時間的不對稱性有兩個方面可以讓我們產生時間在流動的錯覺。

第一，由於熵的概念，記憶的形成是單向過程——新的記憶增加了大腦的熵值。我們也許可以把這一單向性理解為時間的流逝。

第二，可能是我們對時間流逝的理解和量子力學有某種關係。根據海森堡不確定性原理，對於一個特定的量子態，有很多不確定的未來。比如，在觀測者發現電子在某個方向運動時，一個特定的現實就從數量巨大的一系列可能性凸顯出來。那麼對觀測者而言，可能性轉化為真實性。開放的未來變成了確定的過去——所謂時間之流。

2.4 時間是離散的

100多年前，大多數科學家認為物質是連續的，直到原子的發現，我們才知道物質是離散的組合。那麼時空呢？空間是我們所想的那樣連續，還是由離散的塊組成。對於時間而言，是否有可能由離散的塊組成。

過去幾十年的研究讓這個問題取得了巨大的進步。圈量子引力理論預言了時空的確由離散的塊組成。

量子理論和廣義相對論都已經被實驗完美證實，但實驗沒有探索到這兩者都起重要作用的情形。當把兩者結合起來時，發現了一個巨大的漏洞：計算假定的幾何空間都是連續平滑的。於是我們找了兩個原理，（背景獨立和微分同胚不變性）合併後，出現了圈量子引力理論，結論就是空間如同原子一樣，體積是可區分的塊。總之：空間不連續，只存在特定量子單位的面積和體積。隨後我們表示出了體積的量子態，再模擬了時間的量子態，我們發現正如空間是由自旋空間離散的幾何結構一樣，時間也是離散的重組網路。（這段話看不懂就算了吧）。

第三章 時間與宇宙

3.1時間開端

因為我本人就是研究弦論的物理學家，所以對這一章節格外的認真。

弦論認為，大爆炸並不是宇宙的開始，而僅僅是前一個狀態演化的結果。

弦論的基本想法是基本粒子不是點狀的，而是一維物體——弦。量子弦的尺寸是有限的，如果不是量子效應的話，弦還能被切割成無質量的點粒子。但由於海森堡的不確定性原理，最終會被規定在極小的長度下。其次，量子弦即使沒有質量，也可能會有角動量，並且量子弦要求在通常的三維空間之外還有額外空間維度存在。

此外量子弦還能體現出一些新的對稱性。（由於讀者專業知識有限，這裡不再贅述）總之，弦論的T對偶和D膜等都指向了一個性質：弦不會坍縮成無限小。

於是，弦論物理學家開始嘗試猜想大爆炸前的宇宙。根據T對偶和時間反演對稱性組合起來，我們可以得到的是：大爆炸前的宇宙幾乎是大爆炸後宇宙的鏡像。

大爆炸理論，圖自網路

如果未來宇宙將永遠存在，宇宙中的成分隨之變得越來越稀薄的話，那麼過去它也是向前無限延伸的。在無限久的過去，它幾乎空無一物，只有一些微薄的氣體，自然的作用力非常微弱，以至於粒子間沒有任何作用力。隨著時間的流逝，作用力強度增大，某些區域開始吸引周邊的物質，最終形成黑洞。各個黑洞讓區域內的物質和外界分開，讓宇宙斷裂成一個個不連通的碎片。

在黑洞內部，時間和空間交換了角色。當密度、溫度和曲率達到弦論所允許的最大值時，這些量的演化反轉，開始減少。這個反轉的時刻稱為大爆炸，這些黑洞其中之一就是我們的宇宙。

另一種模型是近年才提出的火劫模型。

火劫宇宙

我們的宇宙處於高維空間的一端，而一個「隱形膜」處在另一端，彼此吸引，偶爾會碰在一起，導致額外維度縮小到零然後再增長。大爆炸就對應於兩個膜相撞的時刻。在這個火劫宇宙中，碰撞時周期性的，兩個膜可能會撞擊，然後彈開，再接近。膜在遠離時膨脹，在靠近時收縮。實際上，我們的宇宙目前的加速膨脹可能就預示了下一次撞擊。

碰撞膜

那麼時間到底是何時開始的？科學研究目前沒有給出一個決定性答案，但至少有兩種以上的理論支持，宇宙以及時間在大爆炸前就存在了，如果其中一種是正確的，那麼宇宙便是永遠存在的，並且不會終結。

當然，這裡還可以提一些其他的預言，例如有人說，宇宙微波輻射可以預示著時空誕生於神秘的四維黑洞等。

宇宙微波輻射

第四章 時間旅行

假如時空扭曲得很厲害，以至於一些世界線構成了閉合環路，它們就會成為通向過去的通道。如果精確地沿著這樣一條閉合的類時曲線走一周，你就會撞到以前的自己。

閉合類時曲線

在非常極端的情況下，時空能彎曲到一定的程度，從而創造出從現在回到過去的路徑。

蟲洞！通過蟲洞的入口是球形的，它是一個進入四維通道的三維入口。進入蟲洞不是讓你在一個時刻消失，另一個時刻被重新組裝。而是你的時間和其他地方不同步而已。當然，要想得到蟲洞，你需要負能量，也就是我們所說的暗能量，否則蟲洞必然會坍縮。所以，製造這樣的時間機器是不太可能的。

不過在時間旅行上，採用較為保守的「時間延緩」卻是有可能實現的。兩種方法，第一，近光速行駛，這點通過狹義相對論大家都知道。第二，藉助引力。引力同樣可以延緩時間的流逝。

中子星的表面引力非常強，以至於這些星球上的時間相對地球延緩了30％，在黑洞表面，時間相對於地球是靜止的。如果一個宇航員毫髮無損地從黑洞邊緣回來，那麼他就已經跳躍到了遙遠的未來。當然，穿越到過去就只能依靠蟲洞了。（反向穿越也可以到達未來）

如果能創造出一個穩定的蟲洞，就可以立刻用它來進行時間旅行，一個穿越了蟲洞的宇航員可能會發現，自己不僅身處宇宙的某個角落，而且還穿越了時間。

當然，有可能空間本身就存在蟲洞這樣的結構，比如來自大爆炸的遺存，果真如此的話，超級文明或許正在利用它。另一方面，蟲洞也許在非常小的尺度自然存在，比如普朗克尺度。

就這樣，時間的論述結束了，物理學中，時間的謎底正慢慢地揭開......

來源：微博@天天賜賜丶

聲明：本文不代表塔木德大講堂觀點，僅供讀者參考。

《塔木德》（Talmud）是猶太智慧「聖經」，匯聚5000年文明基因。塔木德富豪會（微信號：tmdfhh）分享全球智慧，傳播美好情懷！鼓舞積極人生！與塔木德為伍，您將在生活、生意、生命方面「三生有幸」:幸會，幸運，幸福！

歡迎關注

塔木德大講堂（ID：tmdfhh6）

歡迎關注

塔木德富豪會（ID:tmdfhh6）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！