当代物理学家是如何描述时间的起源和本性的？

好的，我们来聊聊当代物理学家们是如何看待时间这个既熟悉又神秘的概念的。这可不是一件容易的事，因为时间从根本上挑战着我们的直觉，甚至连我们最精密的物理学理论也常常对它感到困惑。

时间的起源：一场关于宇宙开端的宇宙大爆炸

要讲时间的起源，我们得回到宇宙的起点——大爆炸。这是目前最被广泛接受的宇宙模型。根据这个模型，我们所知的宇宙，包括空间和时间，都起源于大约138亿年前的一次极端炽热和致密的事件。

在那一瞬间之前（或者更准确地说，在那一瞬间本身），我们无法用我们现在的物理定律来描述。我们通常认为时间是随着宇宙一起“诞生”的。在大爆炸的那一刻，时间开始向前流逝，就像一个巨大的钟表开始滴答作响。

然而，这里有一个非常关键但又令人费解的点：我们很难想象一个“大爆炸发生之前”的时间。如果我们把时间想象成一条线，那么大爆炸就是这条线的起点，它并没有一个“前面”。这有点像问“圆的起点在哪里”，答案是它没有一个单一的起点，它是一个整体。

一些理论家提出了更有趣的想法。例如，在量子引力的框架下（这是试图统一广义相对论和量子力学的一系列理论，比如弦理论或圈量子引力），人们在探索一种可能没有“时间”作为基本组成的宇宙图景。在这些模型中，时间可能是一种涌现（emergent）的现象，就像从大量微小粒子运动中涌现出宏观的温度和压力一样。也就是说，在宇宙最最根本的层面上，时间可能不是一个独立存在的实体，而是在更深层次的相互作用和纠缠中自然产生的。这就像我们看到水滴会流动，但你很难说一个单独的水分子在“流动”。

另一个关于起源的有趣推测是多重宇宙的概念。如果我们的宇宙只是无数个宇宙中的一个，那么时间的概念可能在不同的宇宙中是不同的，甚至在某些宇宙中根本就不存在我们所理解的时间。

时间的本性：一个多维度、方向性和相对性的谜团

一旦我们有了时间这个概念，我们就会开始思考它的“本性”到底是什么。这比讲它的起源更加复杂，因为我们现在还无法给出一个终极的答案。

1. 时间的方向性（箭头）： 这是我们最直接的体验。时间总是向前流逝，从过去到未来。我们记得过去，但我们不能记得未来。为什么会这样？这背后涉及到物理学的核心原理之一：热力学第二定律。

热力学第二定律和熵增： 这一定律告诉我们，在一个孤立的系统中，总体的混乱程度（熵）总是会增加或者保持不变，永远不会减少。你可以想象一杯热咖啡，它会随着时间冷却，热量散失到周围环境中。但你永远不会看到一杯已经冷却的咖啡自己变热，热量重新聚集起来。这就是熵增。
时间箭头与熵增的联系： 很多物理学家认为，时间的箭头就是由熵增决定的。宇宙从一个低熵（高度有序）的状态（大爆炸）开始，然后不断地走向更高熵（更混乱）的状态。我们经历的“向前”就是熵不断增加的过程。就像我们只能把一个打碎的花瓶的碎片拼回去，但无法让它自己变回完整一样，我们只能朝着熵增的方向回溯我们的“因果链”。
量子力学的挑战： 有趣的是，在量子力学最基本的方程中，时间通常是对称的，也就是说，它们在向前或向后流动时看起来是相似的。这与我们日常的经验形成鲜明对比。这就引出了一个问题：时间的不可逆性是如何从这些基本的、对称的方程中涌现出来的？这仍然是一个活跃的研究领域。

2. 时间的相对性： 这是爱因斯坦的广义相对论带来的革命性认识。

时空是一体的： 爱因斯坦告诉我们，时间不是一个独立的、绝对的背景，而是与空间紧密结合，形成一个四维的“时空”结构。
引力和速度会扭曲时间： 质量和能量会弯曲时空，而这种弯曲会影响时间的流逝。这意味着，在引力场更强的地方，时间会流逝得更慢；速度越快的人，时间流逝得也越慢（时间膨胀）。这不是一种幻觉，而是真实存在的物理效应，比如GPS卫星就需要根据相对论的效应来校准时间，否则就会出现巨大的定位误差。
没有绝对的“现在”： 由于光速是有限的，而且观察者的运动状态不同，不同观察者对“同时发生”的事件会有不同的看法。这意味着，不存在一个适用于全宇宙的绝对“现在”。我们所感受到的“现在”是相对于我们自己的时空位置和运动状态而言的。

3. 时间的量化（量子化）的可能性：

量子引力中的猜想： 在探索量子引力的过程中，一些理论家认为，时间本身可能不是连续的，而是以微小的、不可分割的“量子”为单位离散存在的。就像能量和物质在微观层面是量子化的（一份一份的）一样，时间也可能如此。
普朗克时间： 这个概念非常微小，大约是10的负43次方秒。在这个尺度上，我们现有的物理定律可能已经失效，我们需要一个能够描述量子引力的理论来理解。在普朗克尺度下，谈论“时间流逝”可能已经没有意义了。

4. 时间与观察者：

意识与时间： 虽然物理学主要关注的是客观的物理时间，但我们作为有意识的生物，对时间的体验是主观的。我们如何感知时间的流逝，它如何影响我们的记忆、情感和决策，是心理学和神经科学的研究范畴。但有些人也试图将这种主观体验与物理时间联系起来，认为我们的意识活动本身可能也受到量子过程的影响，从而与时间的某些基本属性相关联。

总结一下，当代物理学家们正在从几个关键角度描述时间的起源和本性：

起源： 紧密联系着宇宙的诞生，很可能在大爆炸的奇点中出现，并且可能在更深层的物理实在中是一种涌现的现象，而非基本要素。
本性：
方向性： 主要与热力学第二定律（熵增）联系，解释了我们为什么只能向前感知时间。
相对性： 是空间的一部分（时空），会受到引力和速度的影响而改变。
离散性： 有可能在极小的尺度上（普朗克尺度）是量子化的。
与测量者的关系： 没有绝对的“现在”，时间流逝的速度取决于观察者的状态。

这是一个非常活跃的研究领域，未来的理论突破可能会让我们对时间的理解发生翻天覆地的变化。目前，我们对时间的认识，与其说是一个完整且稳定的描述，不如说是一系列正在被不断探索和修正的谜题。我们就像站在一条刚刚展开的地图边缘，只能看到有限的区域，而更广阔的未知世界，正等待着我们去发现。

网友意见

爱因斯坦说，时间是时钟测量的东西/Time is what a clock measures。时钟可以是任何正在经历不可逆变化的事物，是一种热力学装置。

• 绝对准确地计测时间，需要无限的能量，并产生无限的熵^[1]。
• 在量子力学中，时间是量子力学方程中一个平滑变化的参数，用于衡量可观测物体的演化。基本粒子上没有可以通过测量读取的“精确的、固有的时间戳”。时间的方向可以是暧昧的（Rubino, G., Manzano, G. & Brukner, Č. Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposing time’s arrows. Commun Phys 4, 251 (2021). https://doi.org/10.1038/s42005-021-00759-1）。
• 在爱因斯坦的广义相对论中，时间是时空的第四个维度。
• 试图协调上述二者的理论，例如宇宙学全息原理，试图将四维时空结构解释为由量子信息构成的全息图，时间类似空间。
• 霍金-哈特尔无边界条件下，宇宙涌现时，时间的举动类似空间。这个宇宙的时间不能追溯到“宇宙大爆炸之前”，大爆炸也不能有“大爆炸奇点”，因为霍金-彭罗斯奇点定理显示时空无法从一个点里平滑而稳定地展开。
• 至少在可观测宇宙的范围内，“时间的起源”是宇宙涌现相关的量子事件。

当代有些学者认为时间并不存在，或至少不像我们以为的那样“有方向性、平滑、不可逆”地存在。

人们有时会误以为“普朗克时间”是时间的最小单位，其实并非如此。在普朗克时间内发生的事件是无法通过已知的物理原理进行观测的，但霍金辐射之类假说依赖那些事件。量纲分析建议，对于普朗克时间之内发生的事件，量子力学与引力的效应都有很大的影响，需要完善的量子引力理论。

• 如果普朗克时间是时间的最小单位、普朗克长度是空间的最小长度单位，那么量子泡沫的涨落应当让哈勃空间望远镜之类观测到的极遥远的天体呈现模糊不清的状态，与观测事实不符^[2]。有几种模型能将上述模糊效应压缩 10^15 到 10^30 倍来强行兼容现在的观测事实^[3]。

参考

1. ^ https://www.quantamagazine.org/the-new-science-of-clocks-prompts-questions-about-the-nature-of-time-20210831/
2. ^ https://arxiv.org/abs/astro-ph/0301184
3. ^ https://arxiv.org/abs/astro-ph/0302372

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