几乎每个人都在看时间、算时间,可真被问到 "时间到底是什么",十有八九答不上来。直到今天,人类最成功的两大物理理论,对时间的理解还在互相矛盾。
广义相对论和量子力学对时间的理解,竟然完全不同。
在爱因斯坦的广义相对论里,时间不是宇宙的背景,而是时空的一部分,和空间绑定在一起。质量和能量会弯曲时空,引力越强,时间流逝越慢。速度越快,时间流逝也越慢。
比如 GPS 卫星上的原子钟,同时受狭义和广义相对论影响,每天比地面时钟快几十微秒。GPS 卫星的原子钟每天比地面快几十微秒,不修正导航就会出大错。这也证明了广义相对论的时间观是对的。
而量子力学描述微观粒子世界,核心的薛定谔方程里,时间只是一个外部参数,不像位置、动量那样有对应的物理算符。量子力学里没有公认的时间算符,时间就像一个永远滴答的背景时钟,为所有量子过程提供统一节拍,这和牛顿的绝对时间观没区别。
可以简单比喻:广义相对论把时间当成演员,它会参与宇宙演化;量子力学把时间当成舞台,只是固定的背景。这两种观点根本没法兼容,也是现代物理学最大的难题之一。
很多人都好奇,为什么时间只能向前走?我们记得昨天却记不得明天,鸡蛋摔碎不会自动复原,人变老了也没法回到童年。
有意思的是,不管广义相对论还是量子力学,基础方程都满足时间反演对称。把时间方向反过来,方程照样成立。这意味着在最基本的规律里,过去和未来没有本质区别。那我们感受到的时间箭头,到底从哪来?
目前最被认可的解释来自热力学第二定律:孤立系统的总熵不会减少。熵可以理解为系统的无序程度,覆水难收、破镜难圆,本质都是系统从有序走向无序。人们把熵增进的方向,当成了时间箭头的方向。
很多人有个误区,以为熵只能增加。其实热力学第二定律说的是孤立系统,我们生活的地球、家里的冰箱、自己的身体,都不是孤立系统。局部完全可以实现熵减,比如把摔碎的玻璃杯重新融化再做成新的,用电能维持冰箱的低温,甚至未来能让人返老还童。
哪怕未来能让人返老还童,也只是局部熵减,时间不会真的倒流。因为这些熵减的过程,都会消耗能量,向周围释放更多热量,最终还是会让整个宇宙的熵增加。你依然只会记得过去,不会记得未来,先有因后有果的逻辑不会变。
另一个热门问题,宇宙大爆炸之前有时间吗?按照现代宇宙学模型,大约 138 亿年前,宇宙从大爆炸开始膨胀,演化成今天的样子。描述宇宙演化要用广义相对论,而广义相对论里,时间和空间不是独立的,它们共同构成四维时空。
也就是说,大爆炸不仅创造了物质和能量,也创造了时间和空间本身。从这个角度说,"大爆炸之前是什么" 这个问题,可能根本没有物理意义。就像问 "大海出现前,海浪是什么",问题本身超出了定义范围。
当然,科学家也提出循环宇宙、大反弹宇宙等模型,认为大爆炸之前宇宙还有历史。但到目前为止,还没有直接观测证据能证明这些设想,大爆炸之前是否存在时间,仍是现代宇宙学未解决的问题。
有些物理学家更大胆,认为时间可能根本不是宇宙最基本的属性。在一些量子引力理论里,描述宇宙的基本方程里甚至看不到时间变量。这意味着在宇宙最深层的结构中,也许没有我们熟悉的过去、现在和未来。
时间可能和温度一样,是大量微观粒子集体运动后涌现出的宏观现象。单个分子没有温度,温度是无数分子集体运动的结果;同样,时间也可能不是宇宙最底层的组成部分。
现在科学家正在探索的量子引力、弦理论、快宇宙理论,都是为了回答这个终极问题:时间到底是真实存在的东西,还是我们意识感受到的一种表象?
回到最开始的问题,时间到底是什么?爱因斯坦说它是时空的一部分,和宇宙物质融为一体;量子力学说它是描述演化的背景参数;热力学说熵增表现了时间的前进方向;量子引力理论甚至暗示,时间可能根本不存在。
如果有一天我们真正理解了时间,或许也就理解了宇宙本身。
