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破晓了，当第一缕阳光照亮他的洞穴时，我们的原始祖先醒来时体验到了似曾相识的感觉。或许，在那顿悟的时刻，他的新意识发现了自然界内在的周期性——太阳再次升起。几千年前的那一天， 人类开始了对时间的永恒探索。
公元 2023年的今天，如果我想知道时间，我会看手腕上的智能手表。手表与我的手机同步，手机同步到与原子钟同步的网络。我最终看到的时间值足够准确，在一百万人的一生中不会有超过一秒的偏差。地球绕轴自转和绕太阳公转都不够准确，无法再用作计时标准。尽管如此，尽管取得了所有这些进步，但我们必须谦虚地承认，我们不知道我们所测量的是自然物理法则中固有的实体还是人类创造的虚构。
我们对时间流逝的理解始于理解自然界可观察周期性之间的相关性。在人类历史进程中可以看到和测量的是什么塑造了当代思想家、哲学家和科学家提出的时间理论？一万多年前的农民利用星座的周期性来预测季节，并在月圆之夜安排夜间工作。大约在公元前 1500 年，对更精细地模拟自然周期性的追求激发了我们建造日晷和水钟的灵感。当代模拟钟无处不在的圆形表盘实际上是从日晷继承而来的。
太阳的影子在水平面上的投影运动是周期性的，已被用于日晷计时。图片来源
在可追溯到公元前 2 千年的吠陀文本中，印度哲学家声称宇宙经历了创造、毁灭和重生的重复循环，通过一种叫“kaal-chakra”的时间之轮。但这并不是我们历史上唯一提到时间循环观念的地方。
生活在公元前 4 世纪的柏拉图认为，我们是一台大型时间搅拌机的一部分，当行星配置恢复到初始状态（需要 25,800 年的过程）时，一切都会重新开始。这个想法也受到现代科学的追捧。一群现代宇宙学家认为，宇宙有一个“有弹性的命运”，它会经历膨胀和收缩的反复循环，而我们目前正处于加速膨胀阶段。
有弹性的宇宙随着时间的推移而演变。来源
柏拉图的学生亚里士多德持有不同的时间观。他将时间视为运动的一种属性，一种变化的衡量标准。对他来说，时间本身并不存在。他称时间为“连续运动的枚举”或“前后变化的次数”。他争辩说，由于时间本质上是对变化的衡量，因此它需要一个能够对运动进行“编号”的灵魂。他还质疑时间的真实性：
如果时间本质上由两种不同的不存在（过去或“不再”，以及未来或“尚未”）组成，被虚无（瞬间消失的现在或“现在”）分开，那么如何我们能说时间真的存在吗？
时间是一种幻觉的想法一直是佛教哲学中的一个共同主题（自公元前 6 世纪以来）。在现代科学时代，自从 Wheeler 和 DeWitt 制定了他们的方程式（1967 年）以来，一些物理学家认为时间可能不是一种基本的自然现象，而是一种新兴现象。追溯引导我们来到这里的科学思想的演变是值得的。
进入现代科学的第一次飞跃通常归功于意大利物理学家和数学家伽利略·伽利莱。据信，由于有一天观察了比萨大教堂青铜枝形吊灯的摆动，并将其周期性运动与他自己脉搏的规律跳动进行了比较，他开始了他的时间研究。伽利略意识到，与我们预期的相反，枝形吊灯完成一次摆动所需的节拍次数并没有随着灯笼运动的减少而减少，它几乎保持不变。这是一个非常重要的发现，从那时起影响了时间流逝的科学。
第一个摆钟，由克里斯蒂安·惠更斯于 1656 年发明
应用伽利略的发现，荷兰发明家惠更斯发明了钟摆驱动时钟（17 世纪后期），随着时间的推移，时钟变得足够准确，分针开始被添加到钟面上。很长一段时间（直到 1927 年），摆钟一直是最准确的时间测量方式。
由于这些时钟不能用于摇摆船甲板上的导航，因此开发了航海计时器。这些便携、精确的时计有助于加速大航海时代和殖民主义时代的到来。
大约在同一时间，牛顿看到苹果掉了下来。他对时间的看法在《原理》开头的学术论文中得到了最好的描述。换句话说：
绝对的、真实的和数学的时间，从其自身的性质来看，与任何外部事物无关，因此与任何变化或测量时间的方式无关（例如，小时、天、月或年）
他认为绝对时间是可测量但不可感知的，只有在数学上才能真正理解。对他来说，宇宙的一维绝对时间和三维几何是客观现实的独立和分离的方面，在绝对时间的任何给定点，宇宙中的所有事件都是同时发生的。
通过他的狭义相对论（20 世纪初），爱因斯坦将同时性的概念从牛顿的基础上废除了。根据相对论，同时性不是事件之间的绝对关系；在一个参照系中同时发生的事情不一定在另一个参照系中同时发生。根据爱因斯坦的说法，宇宙没有单一的计时员；事情发生的确切时间取决于一个人相对于观察对象的精确位置。
为了强调同时性是如何相对的，我们必须考虑一个例子：想象一个观察者坐在一辆高速行驶的火车车厢中途，而另一个观察者在火车经过时站在站台上。就在两个观察者擦身而过时，火车车厢中央发出一道闪光。对于火车上的观察者来说，车厢前后距离光源的距离是固定的，按照他的说法，光线会同时到达车厢前后。
同时性取决于观察者所处的位置。
另一方面，对于站在站台上的观察者来说，火车车厢的尾部正在向闪光灯发出的点移动（追赶），而火车车厢的前部正在远离它。由于光速是有限的，并且对于所有观察者而言在所有方向上都是相同的，因此朝向火车后方的光比朝向前方的光要覆盖的距离更短。因此，闪光将在不同时间照射到火车车厢的两端。对于车厢内的观察者来说，同时发生的闪光对于外面的观察者来说并不是同时发生的事件。
这种以不同速度移动的观察者观察到的时间差异称为时间膨胀. 虽然这听起来有悖常理，但时间膨胀已通过对飞行在飞机和卫星上的原子钟的精确测量在实验上得到验证。这个理论，在概念上和实践上，都允许时间旅行到未来。通过非常快，一个人可以以每小时快于 1 小时的速度旅行到未来。为了让我们能够明显地观察到这种时间旅行，速度需要非常高，接近光速。宇宙射线 μ 子是一种不稳定的亚原子粒子，平均寿命为 2.2 微秒。它们是在高层大气中产生的，虽然我们预计它们在衰变前仅行进 660 米（考虑到光速 = 300,000 公里/秒），但时间膨胀的影响允许宇宙射线 μ 子在到达地球表面的 100 多公里长途飞行中幸存下来超越。在地球的参考系中，由于速度快，μ 子的半衰期更长。因此，每秒钟大约有一个 μ 子穿过每个人的手掌。
1907 年，爱因斯坦的前任教授赫尔曼·闵可夫斯基 (Hermann Minkowski) 将空间和时间设想为一个单一的公式：一个称为时空的四维连续体。时空就像一个阶段，粒子在宇宙中相对移动。当粒子占据相同的时空位置时，它们可以相互作用。然而，这个版本的时空是不完整的。它不包括引力，直到 1916 年爱因斯坦的广义相对论。时空的结构是连续的、光滑的，并且会因物质和能量的存在而弯曲和变形。该理论表明，我们所体验到的引力是空间和时间的扭曲。引力是宇宙的曲率，由大质量物体和其他形式的能量引起，它决定了物体行进的路径。曲率是动态的，随着那些物体的移动而移动。用物理学家约翰惠勒的话来说：
重物会扭曲时空的 4D 结构。来源
时空抓住质量，告诉它如何移动。质量控制时空，告诉它如何弯曲。
该理论还解释了引力场如何减缓引力场外观察者所见物体的时间流逝。帮助我们导航的 GPS 卫星使用狭义相对论和广义相对论来保持它们的时钟与地球上的时钟同步。卫星将时间信号传输到 GPS 接收器，然后接收器可以通过测量信号到达接收器所需的时间来确定它与卫星的距离。随着时间的推移，即使是很小的偏差也会累积起来，导致地面导航出现重大错误。必须考虑卫星在地球轨道上的速度以及轨道上的卫星与地球表面接收器之间的时空曲率差异，才能获得准确的定位系统。
如果我们推断和想象极端引力的地方，例如黑洞，落入黑洞的物体看起来，对于外部观察者来说，当它接近事件视界时会变慢，需要无限的时间才能到达它。对于事件视界之外的观察者来说，该物体似乎永远停留在事件视界中。然而，对于掉进去的观察者来说，时间似乎是正常流逝。从他的角度来看，他只需要几秒钟就可以撞到最大黑洞中心的奇点。
虫洞如何成为时空捷径的可视化。
时空也可能存在潜在的扭曲，从而使时间机器得以运行。一些科学家喜欢“虫洞”的想法，它可以成为穿越时空的捷径。当你连接两个因果关系断开的区域时，它不仅可以连接宇宙中的两个不同位置，还可以连接时间上的两个不同位置。如果这样的虫洞是可穿越的，回到过去在现实中是可能的。虽然这在理论上是合理的，但我们还没有看到宇宙中存在虫洞的任何证据。
我们一直采用当代最好的技术来衡量时间的流动并定义其通用标准。国际标准时间单位是秒，它的定义已经从太阳日的一小部分演变为星历年的一小部分，再到现代量子时代的“原子”秒。自 1967 年以来，秒被定义为恰好 9,192,631,770 倍对应于铯 133 原子基态的两个超精细能级之间跃迁的辐射周期。我们的工具补充了我们理解时间的想象力。在过去的一个世纪里，我们越来越多地通过量子透镜来看待时间。
量子力学认为时间的流动在选定的静止系中是普遍的和绝对的，而广义相对论则认为时间的流动是可塑的和相对的。在 1960 年代，一次成功的尝试将以前不相容的思想——量子力学和广义相对论——结合起来，产生了所谓的惠勒-德威特方程。这个等式解决了一个问题，但又产生了另一个问题。在这个等式中，时间没有作用。这导致了物理学家之间的一个大难题，被称为“时间问题”。这是否意味着时间在自然界的基本法则中没有意义？
Louis Essen 和 Jack Parry 在 NPL 设计并建造了世界上第一个铯原子钟。1955 年，埃森邀请导演爱德华布拉德“前来见证天文秒的消亡和原子时的诞生”。来源
意大利理论物理学家、《时间秩序》的作者卡洛·罗维利对此有强烈的看法：
我们从来没有真正看到时间。我们只看到时钟。如果你说这个物体在移动，你真正的意思是当你的时钟指针在这里时这个物体就在这里，等等。我们说我们用钟表测量时间，但我们看到的只是钟表的指针，而不是时间本身。时钟的指针和其他任何东西一样都是物理变量。所以从某种意义上说，我们作弊是因为我们真正观察到的是物理变量作为其他物理变量的函数，但我们将其表示为好像一切都在随时间演变。
Wheeler-DeWitt 方程的结果是我们必须停止玩这个游戏。与其引入这个虚构的变量——时间，它本身是不可观察的——我们应该只描述这些变量是如何相互关联的。问题是，时间是现实的基本属性还是只是事物的宏观表象？我会说这只是一个宏观效应。这是只为大事而出现的东西。
1954年，超现实主义画家达利创作了《记忆持久性的瓦解》。对他来说，这幅图像象征着新物理学——以粒子和波的形式存在的量子世界，通过“数字化”旧图像“记忆的持久性”来象征。来源
加州理工学院的宇宙学家肖恩卡罗尔认为，关于时间是否真实的问题是徒劳的。一个值得科学探索的问题是时间是涌现的还是基本的。一旦我们将温度和压力理解为基本原子描述的涌现属性，温度和压力就不会不再是真实的。虽然这可能是关于时间的最大悬而未决的问题，但它远非唯一的时间难题。
紧随其后的是一个奇怪的事实，该事实自 19 世纪以来一直困扰着哲学家和物理学家：物理定律无法解释为什么时间总是指向未来。如果时间倒流，所有基本定律——无论是牛顿定律、爱因斯坦定律还是量子定律——都将同样有效。另一方面，我们对世界最普遍的体验是时间有一定的方向。我们出生、变老、死亡；鸡蛋破了；液体混合；我们的办公室往往会变得更加混乱——而不是相反。不过，据我们所知，时间是一条单行道；它永远不会逆转，即使没有法律限制它这样做。这种单向行为只存在于一个科学定律中，即热力学第二定律，这表示——孤立系统的熵通常会随着时间增加而不会减少。熵可以被认为是系统中无序度或信息的量度；因此，第二定律意味着时间相对于孤立系统中的有序量是不对称的：随着系统随着时间的推移而前进，它在统计上变得更加无序。将冰块放入一杯热咖啡中会冷却咖啡并同时加热冰块。但这个过程是不可逆的：它是一条单行道。法律没有说明为什么会这样。
逆转时间的箭头相当于降低熵。在 19 世纪的一个思想实验中，一个叫做麦克斯韦妖的强大小鬼能够通过知道带有隔板的盒子中每个气体分子的位置和速度来对气体进行这种分离。在隔板上的一个洞上使用百叶窗，恶魔将高能分子限制在一侧，让低能分子聚集在另一侧。事实证明，恶魔将不得不消耗能量并增加自身的熵，因此宇宙的总熵仍会增加。最近的一个实验声称已经能够复制大约 60 个原子的麦克斯韦妖，将系统的熵降低 2.44。这在量子计算领域可能具有巨大的潜力。如果麦克斯韦妖在经典规模上是可复制的，那么人们可能会争辩说时间逆转在热力学上是可行的，但这可能不会导致我们再次经历昨天，因为这涉及到不同的时间概念；与人对时间的心理感知相对应的时间感知箭头。
麦克斯韦妖的示意图。红点代表比蓝点更高能量的分子。
我们记得的事情都已经过去了。如果我们“现在”能记住比“之前”时刻更多的事情，我们就知道我们在时间上向前迈进了一步。我们似乎能够记住我们是否知道“过去”的事情。我们似乎能够以某种程度的准确性预测未来发生的事件，但我们也缺乏对未来的完整了解。时间的心理流动与人类记忆和我们对因果关系的感知深深交织在一起。它受多巴胺水平的严重影响，在患有影响多巴胺水平的损伤的受试者中，如帕金森病、精神分裂症和注意力缺陷多动障碍 (ADHD)，已观察到时间感知障碍。
同意量子力学哥本哈根解释的人认为，量子演化受薛定谔方程支配，该方程是时间对称的，量子时间箭头的不可逆性源于波函数坍缩。在熵的量子力学版本中，熵变化时流动的不是热量，而是信息。一些量子物理学家声称已经找到了时间之箭的根本来源。他们说，能量分散和物体平衡，是因为基本粒子在相互作用时相互缠绕的方式——一种称为“量子纠缠”的奇怪效应。
“量子纠缠”最初是作为爱因斯坦及其同事的一项心理实验出现在科学界的。他们发现潜伏在量子力学方程式中的量子纠缠，体会到它的奇异之处。它描述了神秘地联系在一起的粒子，无论它们彼此相距多远。爱因斯坦与他的同事 Podolsky 和
Rosen 发表了一篇论文，讨论了当人们考虑量子纠缠的含义时出现的悖论。他认为这样的行为是不可能的，因为它违反了局部现实主义的因果关系观点——距离很远的粒子怎么会立即相互影响。因此，他们争辩说，公认的量子力学公式一定是不完整的。
1935 年 5 月 4 日的《纽约时报》提到了 EPR 论文。来源
1964 年，爱尔兰物理学家乔恩·斯图尔特·贝尔，设计了一项实验测试，揭穿了爱因斯坦所相信的粒子之间可能存在预设理解的理论。因此，普遍的理解是信息确实在纠缠粒子之间传播，其传播速度可能比光速还快。假设，如果相隔光年，纠缠的粒子将能够立即共享信息。不仅两个事件可以相互关联，将较早的事件与较晚的事件联系起来，而且两个事件可以变得相互关联，以至于无法说出哪个更早哪个更晚。据我们所知，纠缠粒子的时间似乎并不存在。“如果你有时空，你就有一个明确定义的因果顺序，”维也纳大学研究量子信息的物理学家卡斯拉夫布鲁克纳说。但是“如果你没有明确定义的因果顺序，”他解释说，那么“你就没有时空。” 一些物理学家将此作为一种极度非直觉的世界观的证据，在这种世界观中，量子相关性比时空更基本，而时空本身是以某种方式从事件之间的相关性中建立起来的。
“单通道”贝尔测试设置的简化表示：
源 S 产生成对的“光子”，以相反的方向发送。每个光子遇到一个单通道偏振器，其方向可由实验者设置。重合监视器 CM 检测新出现的信号并对重合进行计数。
麻省理工学院物理学教授 Seth Lloyd 对此进行了透视：
现在可以通过变得相关的过程来定义，与我们的周围环境纠缠在一起。那么，时间之箭是增加相关性的箭头。
在我们在地球上的整个时间里，我们一直渴望在我们的理论和自然实验之间增加相关性。相关性越大，我们对宇宙的了解就越好，我们生存的机会就越大。科学的核心本质是提出理论并做出预测，如果随着时间的推移进行检验，就会产生与预测保持一致的观察结果。时间是科学过程的核心。了解自然界的周期性有助于我们开展农业，帮助我们在恶劣条件下生存，还导致了工业革命并明显延长了我们在地球上的时间。没有其他生物能够像人类那样延长平均寿命。了解个人生命的极限使我们保存了我们的学识、我们的知识和方法，所以我们自己的后代不会从一张白纸开始。
在过去的 400 年里，我们已经从观察钟摆发展到探索宇宙的命运和我们在其中的位置。我们正以比以往任何时候都更快的速度在智力上走向未来。同样真实的是，在这段时间里，我们提出、接受、废除和恢复了相互矛盾的时间理论。事后看来，流行的理论在某种抽象层次上也是周期性的，这很有趣。我们不知道未来会怎样，但我们肯定会与宇宙更加纠缠，更加了解彼此。在那之前，我们将继续努力发展一种可以永恒存在的时间理论。我们已经从观察钟摆转向探索宇宙的命运和我们在其中的位置。我们正以比以往任何时候都更快的速度在智力上走向未来。同样真实的是，在这段时间里，我们提出、接受、废除和恢复了相互矛盾的时间理论。
事后看来，流行的理论在某种抽象层次上也是周期性的，这很有趣。我们不知道未来会怎样，但我们肯定会与宇宙更加纠缠，更加了解彼此。在那之前，我们将继续努力发展一种可以永恒存在的时间理论。我们已经从观察钟摆转向探索宇宙的命运和我们在其中的位置。我们正以比以往任何时候都更快的速度在智力上走向未来。同样真实的是，在这段时间里，我们提出、接受、废除和恢复了相互矛盾的时间理论。事后看来，流行的理论在某种抽象层次上也是周期性的，这很有趣。我们不知道未来会怎样，但我们肯定会与宇宙更加纠缠，更加了解彼此。
在那之前，我们将继续努力发展一种可以永恒存在的时间理论。废除和恢复相互矛盾的时间理论。事后看来，流行的理论在某种抽象层次上也是周期性的，这很有趣。我们不知道未来会怎样，但我们肯定会与宇宙更加纠缠，更加了解彼此。在那之前，我们将继续努力发展一种可以永恒存在的时间理论。废除和恢复相互矛盾的时间理论。事后看来，流行的理论在某种抽象层次上也是周期性的，这很有趣。我们不知道未来会怎样，但我们肯定会与宇宙更加纠缠，更加了解彼此。
参考资料和进一步阅读：
https://cds.cern.ch/record/381232/files/9903010.pdf
http://classics.mit.edu/Plato/timaeu
s.html
http://faculty.arts.ubc.ca/ssavitt/Courses/Phil462A/Aristotle%20(Time).pdf
http://www.buddhistinformation.com/buddhism_and_the_illusion_of_time.htm
http://muse.tau.ac.il/museum/galileo/pendulum.html
https://plato.stanford.edu/entries/newton-stm/scholium.html
https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/9789812386540_0010
http://www.drchinese.com/David/EPR.pdf
https://www.quantamagazine.org/time-entanglement-raises-quantum-mysteries-20160119/
http://www.preposterousuniverse.com/blog/2013/10/18/is-time-real/
https://www.wired.com/2014/04/quantum-theory-flow-time/
http://pi.math.cornell.edu/~numb3rs/luthy3/thearrowoftime.html
http://www.w41k.com/28027
https://arxiv.org/pdf/1302.2603.pdf