追寻时间之源

　　听说有人曾问奥古斯丁“时间是什么”，奥古斯丁这般答道：“你不问我，我原来很清楚地晓得它是什么；你问我，我倒认为茫然了。”现在一千多年过去了，人们对这个问题的研究获得了如何的进展呢？还请各位备好一杯热茶，安然坐定，渐渐浏览本文……

　　

　　请将以下语句排列成一个符合道理的人生故事：一个人死了，然后他结婚了，最后他诞生了——好在我们有生成的时间感，做这类问题美满是易如反掌：欲入坟冢，先出子宫，从未有过其它情形。

　　可是，在基础层面上，时间之源仍然是一个谜。新泽西普林斯顿高级研究所（Institute of Advanced Studies, IAS）的一位物理学家，尼玛·阿卡尼·哈姆德（Nima Arkani Hamed）说：“它是科学前沿最深入的问题之一，当我们问起：‘时间是什么？它来自何处？’时，我们都不清楚这些问题是否有意义。我们很难说领悟一个没有时间的世界、或一个没有时间的物理学意味着什么。”

　　虽然除去时间会让人迷惑不已，但愈来愈多的证据表示，在实在（存在）的最基本的层面上，时间只是一个幻象。更奇异的是，激光试验测试和弦论（一个认为粒子是由渺小的能量纤维组成的理论框架）的进展都不谋而合地指向一条思绪：时间其实不存在。

　　一个世纪多点前，我们熟悉中的时间与空间图景远没有这么复杂。物理学家高兴地在一个固定的三维空间背景下追踪物体的运动，并用一个独自的时钟（天主之秒表）来标志它们运动的快慢。人们认为，不管身处宇宙何处，天主之表都以一样的速度滴答走秒。但到了20世纪初，两大物理革命撼动了这类观念。

　　第一场革命，是爱因斯坦的相比较论将时间与空间编织成了随动的四维构造。爱因斯坦将这类构造称为“时空”，它能依随四周大质量的物体而变形，产生曲折。质量小的物体则会沿着这些曲折“滚向”大质量物体，这让宇宙产生了一种称为“引力”的用处力。在这一新的宇宙论中，时间不再是千年观察迟疑者，而成为与空间相融合、相联络的一个维度。时间维和那些绝不暧昧、能够测定的不一样，它现在变为相比较的了。相比较论说明，时钟的快慢取决于物体穿过空间的运动快慢和它们接近通过引力牵引它们的大质量物体的水平。

　　

　　撼动我们对时间熟悉的第二大发展是量子力学。它是运用于亚原子领域的物理学。量子力学显示，在最微观的尺度下，事物的实质与存在变得很奇异。好比，两个粒子能够以某种方法“纠缠”起来，这样它们就总会同时运动和变化。对其中一个进行的试验会立刻影响到另外一个，且不管两者距离多远都是如此。换言之，相距甚远的粒子对能够即时“交流”，这显著与“任何物体都不能够超光速运动”及时间自己的概念相左。

　　

　　但跟随这一问题愈来愈多地为人所知，真实的“时间问题”在上世纪60年代产生了。当时物理学家为联合上头两大理论框架而焦头烂额——它们各安闲其实用范围内成功地描写了宇宙：一个是在极小尺度下，一个则是在大尺度下。向着一个包括一切的“万有理论”（一套标准各类尺度下物质的规则）的摸索出发了。其中最著名、但也饱受争议的假说是有两位新泽西的物理学家提出的，他们是普林斯顿大学的约翰·惠勒（John Wheeler）和IAS的布莱斯·德维特（Bryce DeWitt）。惠勒和德维特试着用量子力学来描写全部宇宙——即，他们将实用于小尺度物质的理论运用到大尺度的行星、星系和其它宇宙构造上。许多人关于惠勒他们的方法是否可行都表示质疑。意大利都灵的意大利国家计量院（Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, INRIM）的量子物理学家马可·吉诺维斯（Marco Genovese）称，这是缘由是没有迹象表示量子定律能够延长到宇宙范围中。可是试着联合两大理论的数学表述，看看结果如何的做法起码还是符合逻辑的。

　　二人将爱因斯坦的相比较论方程与量子力学理论联合后，他们都惊呆了。两套轨则本都独自地将时间视为表征事件的一个变量，但在将两者联合后，时间因子在数学方程中被彻底抵消。两套方程得出了一套描写宇宙举动的新方程，可是此时在其数学表述中，已经没有哪一个量能够标志变化或时间流逝了。吉诺维斯说：“惠勒-德维特方程表示，宇宙是静态的，没有任何物品在演变。可是呢，我们也固然都感到获得时间与变化。”

　　宇宙从未变化的结论显著是错的。但物理学家在惠勒和德维特的数学推导中却找不就任何错误。起先，人们认为二人的错误仿佛是在于认为全部宇宙都能够用量子的方法加以描写。可是我们还有另外一种有意思的也许性，它是上世纪80年代由物理学家唐·佩奇（Don Page，现在在加拿大埃德蒙顿的亚伯达大学）和威廉·沃特斯（William Wooters，在马塞诸塞州威廉姆斯镇的威廉姆斯学院）提出的。

　　佩奇和沃特斯决定采取一个少有争议的概念：宇宙整体能够算作是一个庞大的量子对象，屈服于电子、质子和其它亚原子世界中的渺小粒子所遵守的物理规律。他们设想将宇宙分为两大块，依照量子力学定律，这两块是互相纠缠的。科学家已经在试验中发现，两个纠缠中的粒子具有一样但相反的值。例如，假如一个顺时针盘旋，那么另外一个就是逆时针盘旋。这样，相加起来整体的这一性质就抵消了。佩沃二人称，按相似的思绪，分开的每块宇宙将独自地演变，但缘由是它们是相纠缠的，一块中的变化会被另外一个块中的变化中和。对在其中一块中的某人来讲，时间在流逝，但关于一个宇宙以外的视察者来讲，全部宇宙是静态的。

　　虽然佩沃二人基于量子纠缠提出了一个让宇宙在一个从宇宙外部向内窥视的人认为宇宙是静态的理论图景，但却仿佛没法证实或证伪他们的想法。可是，到了2013年，吉诺维斯和他的同事进行了一项试验，起码在试验室中验证了制作一个这类宇宙的小型模型的也许。他们仅用了激光器产生的两个光粒子（光子）。试验的目标，是证实能够产生某种情形，让一个量子系统在从外部看时处于不变、而从内部看时却在演变。

　　在试验中，吉诺维斯检测光子的偏振，即光子振动的方向。假如让一个偏振粒子以一匀速盘旋，那么它在任什么时候刻的指向就能够像时钟的秒针那样用来标志时间距离了。他的团队让两个光子产生纠缠，使它们的偏振处于相比较的形式。好比，假如一个的方向是上下振动，另外一个就是左右振动。

　　该团队让光子穿过石英片，使之偏振产生盘旋，让光子“秒针”运动起来。转动量与穿越晶片所用的实际时间有关，这给了物理学家一种测定时间通过的办法。他们屡次反复试验，每次都在一个不一样的时刻终止，然后丈量其中一个光子的偏振。吉诺维斯说：“在丈量第一个光子钟时，我们也与它产生的纠缠。也就是说，我们变为了那个小宇宙的一部分，而且能够通过对比我们的光子钟而记载另外一个光子的变化。”这样，该团队证实，在丈量某光子的对子时，该光子会产生变化。同理，沃特斯和佩奇信任，假如丈量宇宙的另外一部分，那么这部分的宇宙看上去就在演变。

　　可是，吉诺维斯仍需证实假定的另外一部分：假如从外部检测作为一个整体的纠缠系统，它应当是静态的。在这一部分的试验中，团队采取了宇宙外“超然视察者”的视角。这个外部的视察者不能够检查任何一个光子单独的状态，缘由是这样就会让他也与之纠缠，而变为内部视察者。反过来讲，这个视察者只能丈量光子对的联合态。团队进行了屡次测试，每次在不一样的时刻终止。他们将两个光子视为一个联合的整体，丈量它们的联合偏振。每次试验他们都确保两个纠缠光子以一样水平偏振，但方法相左。不管试验时间经历多长，两个光子老是坚持彻底一样的“抱团”。从外部看，这个迷你宇宙是静态的，而且彻底不产生变化。它表示，假如时间是量子纠缠的产物，那么惠勒和德维特发现的所谓的“时间问题”就水到渠成了。

　　在过去的几十年中，弦论也体现出支持时间实质虚幻这一点的。弦论于上世纪60年代开始发展，用于描写将原子内的基本粒子约束在一起的强核力。在物理学家研究强用处力的过程当中，他们冒出了一个想法，即当时被认为是宇宙中最小物质的亚原子粒子，实际上是由一些振动的“细弦”组成的。

　　这一对待自然基本对象的新方法产生了影响深远的结果。人们发现弦论对那些像惠勒和德维特那样希望联合狭义相比较论与量子力学的人特别有效。人们需求这类一致的理论框架来解释大爆炸后刹那间宇宙的模样，此时一切的宇宙物质都被挤压在一个极小的体积内。一致理论能够说出黑洞内核处产生着什么。（黑洞是恒星坍缩的结果：恒星在引力用处下紧缩，将其物质压入一个很小的中心中。）

　　在弦论出现前，物理学家在试图联立狭义相比较论和量子力学时老是会碰到费事。联立后的数学告知他们，我们身旁空间中的无限小空间点内包括着无限大的能量——这基本上就是说我们不顾在哪，都被黑洞包抄，这明显是错的。然而，弦论则认为任何物品都不能够小过弦，因此躲避了这个问题。这是说，它的方程无需担忧小于这一基本下限的空间区域，这就清除过那些会得出无限能量及其它不也许结果的难缠的数学。有了弦论，超大尺度与极小尺度的物理看来便能够共存了——起码弦论一度是成功了的。

　　

　　可是弦的大小又引出了关于空间实质、随之又引出时间实质的新问题。这是缘由是弦论认为，不管如何精心肠设计，都没有试验能够向我们展现在小于单个弦的尺度下产生着什么。IAS的弦论家内森·塞伯格（Nathan Seiberg）解释说：“‘在小距离内产生着什么’是一个错误界说的观念——那边空间也许存在，但我们没办法丈量它；也许那边根本就没有能够丈量的物品。”这意味着在某个极限下，空间也许不存在。缘由是爱因斯坦已经在他的相比较论中表示过，时间可是是和空间相似的另外一个维度，那么“假如空间概念在小距离内变得暗昧，那么时间也会如此，”塞伯格如是说道，“人们常常会问：‘大爆炸前都产生了什么？’但我们看到的是，在宇宙创生之时，时间才开始有意义。”

　　塞伯格指出，这类隐约性让弦论家隐约感到时间在基本层面上也许不存在，而我们对时间的感到也许是由一些隐含的“基建材料”组成的，就像温度是来自一群原子的运动那样。一个单独的原子其实不具有一个温度，热和冷的概念只在你丈量大批原子的平均速度时才有意义：速度快的粒子团比慢的具有更高的速度。相似地，也许存在某种基本“颗粒”，一起让我们产生了时间体验。但至于这类颗粒也许是什么，呃，塞伯格如是说：“那就是‘六万四千美金问题’[1]了。”

　　更奇异的是，弦论后续的发展显示，时间之种播撒在实在（存在）的最边缘。这一思惟的本源来自于一个奇特的设想的宇宙模型。这个模型是上世纪90年代末由弦论家胡安·马尔达西那（Juan Maldacena，当时在哈佛大学）提出的。他是在寻觅一个能够联络量子力学和狭义相比较论的数学关系，他认为能够运用弦论来达到这一目标。

　　马尔达西那设想的宇宙形似一个罐头，可是它的界限设在无限远处。罐内的是弦和黑洞，其举动受引力控制；罐面放置的是普通的亚原子粒子，它们通过量子力学定律而互相用处。虽然马尔达西那的罐头宇宙听上去和我们的不太一样，但它让他直观地看出最深层的自然律是如何联络在一起的。

　　

　　在这一模型中，狭义相比较论安排着罐内庞大的三维空间，而量子力学则控制着二维表面上排列的粒子。马尔达西那的意见是，两套定律在某种方法下是等效的，罐内开展的引力事件能够对应表面上的量子过程，后者就像前者投射到罐面的影子一样。利用这一数学模型，马尔达西那确实发现，对表面的每个量子过程，在罐内都有一个对应的事件。马尔达西那等人发展的理论模型表示，纠缠在罐面的量子粒子能够通过在内部空间制作通道，或称“虫洞”，来转变它们的形式。这就说清楚纠缠自己是产生空间和时间性质的基本宇宙过程。

　　空间和时间都是由量子纠缠产生的这一想法，也独自地由温哥华的不列颠哥伦比亚大学的弦论家马克·范·拉姆斯敦克（Mark van Raamsdonk）做出了改良，他也研究了马尔达西那的罐头模型。他借助一个数学模型发现，假如逐步减弱罐面粒子间的纠缠，那么罐内的时空构造也会开始退联络。这意味着量子纠缠以某种方法饰演了让空间和时间之线交织在一起的角色。没有它，时空构栽培会不复存在。

　　马尔达西那的模型为“触及到宇宙组分时，纠缠比空间和时间更基本”的阐述提供了史无前例的支持。它表示，时间不是出现在实在的最基层，而是生发于其中。但虽然物理学愈来愈多地显显露时间是一场幻觉，将时间变化出来的用处力却仍然无从知晓。塞伯格说：“我的直觉是，我们需求的不只是将量子物理重做一遍，更需求一个乍一看彻底荒谬不经的冲破。只有时间才能够告知我们会产生如何的变革。”

　　本文作者齐亚·梅拉里（Zeeya Merali）是栖身在伦敦的一位特约科学作者，同时也是美国基础问题研究所（Foundational Questions Institute）的编辑。

　　译者：物理学徒弟

　　原文起源：nautil.us

　　原文题目：In Search ofTime’s Origin - Issue 9: Time - Nautilus

　　原文地址：http://nautil.us/issue/9/time/in-search-of-times-origin

　　译文起源：http://select.yeeyan.org/view/374180/396667/

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