没有时间的世界，该如何描述？

图源：Pixabay

导读：

一年又一年，时间到底是什么？时间的流逝意味着什么？相信不少人都有过类似的疑问。

许多作品都曾试图探索时间的本质。《时间的秩序》则是一本极具文学性与哲学性的著作，推翻了时间大厦并将其重建，结合最前沿的理论成果与厚重的科学史背景，彻底颠覆了人们对时间的固有认识。

如果我们问身边人时间是什么，得到的回答大多是：时间是一条单向的，均匀流逝的河流，独立于其他事物。这不仅来自于“逝者如斯夫”的中国古代哲学观，也被学生时代天天打交道的牛顿的绝对时空观渗透——即便所有物质都消失，绝对的时间和空间依旧存在，构成世界的框架。

随着科学家对微观尺度世界的一步步深入研究，时间的概念正在逐渐瓦解并被重建。剥开层层表象，我们会发现，时间的本质远比我们想象的要复杂和微妙。让我们跟随意大利物理学家，科普作家卡洛·罗韦利 （Carlo Rovelli） 的《时间的秩序》这本书，深入世界的底层去探索时间的奥秘。

SAIXIANSHENG

对于时间的误解

误解一：

时间对于任何运动，在任何地点都是统一的

爱因斯坦在先于观测之前，就理解了时间并非像我们感受到的那样均匀流逝：速度可以延缓时间，质量同样也可以延缓时间。这分别是狭义相对论中的时间膨胀和广义相对论中的时空弯曲。

在我们熟知的《星际穿越》中，库珀在黑洞视界附近的星球上耽误了几个小时，由于巨大的引力场和公转速度，回到空间站时，他的伙伴已经整整等待了23年。

相对论的问世对我们理解宇宙与时间带来了巨大冲击，并且已经被众多实验所证实。它告诉我们：宇宙中并不存在一个统一的时间标准，时间流逝对于在不同地方，以不同速度运动着的物体 （观测者） 是不均匀的。物理学流传至今的几乎所有方程中都包含着特殊变量t，但这些方程中的t并不是全局统一的时间，而是指与特定事件相关的，位于同一地点的时钟所测量的唯一的时间，即“固有时” （proper time） 。

误解二：

时间是单向的箭头，永远从过去指向未来

我们并不会感受到山顶和山脚由引力带来的那一丁点儿的时间差，相比起来，我们对时间最大的体验是时间的方向性。过去与未来的区别起源于此，因果关系起源于此，生命起源于此，思考的深入起源于此……

牛顿定律，麦克斯韦方程组，薛定谔方程，相对论等等这些方程都是时间对称的，就比方说小球的自由落体与垂直上抛并不存在本质区别，这些物理方程都没有指出时间的方向，只有热力学第二定律是唯一一条能把过去与未来分开的物理定律。看过《信条》的读者可能会说，时间的方向就是熵增的方向，时间就是熵增。但熵增的本质又是什么呢？

熵描述的是某一宏观状态所对应的我们无法识别的微观状态数S∝lnΩ，熵增即是一个系统朝着可能的微观状态数更多的方向演化，直到达到热平衡 （熵最大） 。我们无法区分这些微观状态，而是以统计的方法得出：一个宏观状态所对应的无法识别的微观状态越多，系统处于这个宏观状态的概率就越大。熵增的本质就是系统向着最大概率的状态去演化。

是我们对于微观状态的不可区分导致了时间的方向，换句话说，如果我们能够识别事物的一个宏观状态对应的每一个微观状态 （这往往是天文数字） ，那么过去和未来的区别就会消失。深入思考这个结论会让人感到不安，我们如此真切的时间流逝的感觉，竟然源于统计描述的模糊，而这种模糊的起源则是量子不确定性。

误解三：天涯共此时

我们“现在”在望远镜中观察三体星比邻星b时，看到的是它四年以前的样子，而不是它“现在”的样子。

想象我们已经能与遥远外星文明通讯，当我们问外星朋友“你现在在干嘛”时，由于光速的限制，他们回答的将是他们收到我们信息时的状态，而不是我们发出信息时他们的状态。我们与遥远的外星朋友之间，不存在同一个现在。

因此，现在的概念或者说当下的概念只涉及我们邻近的事物，宇宙不是由一个统一的当下跳到下一个统一的当下的顺序结构 （如左图） ，而是在每一个局域都有一个自己的度量，物理学家们定义了光锥来解释不同局域的时空结构 （中图） ，当时空被质量扭曲或者引力波经过时，每个局域的光锥就会改变方向，像是被一阵风吹乱 （右图） 。

书中对于“当下”这一概念演变的解释图

小知识：光锥由现在平面界定，当然这里的现在就是局部的现在。光锥包含未来光锥与现在光锥，被简化为2维的3维空间轴平行于“现在”平面，时间轴垂直于“现在”平面，上下圆锥体的45度的夹角则表示光线沿着时间在空间上能够传播的最大范围，任何的运动与信息传递不可能超过这个范围。而在光锥之外，过去的事件无法影响现在，现在的行为也无法改变未来，这也许就是《三体》中“光锥之内就是命运”这句话的由来。

宇宙中客观且统一的当下是不存在的，我们所说的当下就像是我们周围的一个气泡，这个气泡能延伸多远则取决于我们感知时间的灵敏度。人类眼睛分辨的最短时间通常在100毫秒左右，因此，我们的整个地球都在这个当下的气泡里，造成我们“天涯共此时”的固有直觉。

误解四：时间独立于世间万物

牛顿的绝对时空观深深植根于我们对物理学的初步理解：存在一个绝对的，真实的，数学的时间，超越有形的物质存在。就算所有运动停止，甚至思维都停滞，这个时间依然在流逝。当然，这是牛顿的观点，并不应该成为整个人类的观点。

在牛顿之前，亚里士多德认为：时间就是对变化的量度，如果一切都不改变，时间就不存在。

爱因斯坦将这两个巨人的观点重新整合：时间确实是牛顿所想的真实存在的，但不是绝对的，也并不独立于世界上其他的物质。时空就是引力场。引力场和其他场一样，构成世界上的物质。“狄拉克场”构成我们面前的桌子；“电磁场“构成我们看到的光亮；“引力场”则构成时空。时间和空间并不是独立于世界上其他物体的背景舞台，他们和世界上的其他物质没有区别。（经过科普媒介的努力，时空（引力场）在我们心中成为了有弹性的床单这样一副形象，但这其实还不够准确。）

误解五：

时空不是平滑连续的床单，而是量子化的

但这块平整的连续的时空床单又很快被量子力学的出现而撕开，所有的场，当然也包括引力场都是具有量子特性的：分立的；不确定的；相关联的。

对量子世界的一切现象而言，都存在着最小尺度，时间也不例外，这个量叫做普朗克时间：5.39×10⁻⁴⁴s，如果我们有及其精密的钟表，就会发现测量到的时间变成一份一份的，连续的时间在极小尺度将不复存在。其次，时空是像电子一样的实体，因此与电子位置涨落成一片电子云类似，时空也会涨落并处于不同状态的叠加中，光锥的指向也不再确定。

每一个局部的当下的时空结构在不进行相互作用时都是不确定的

当然，这种不确定性会在相互作用时消失，就像电子被屏幕捕获时概率云坍缩为确定的点一样。引力场 （时空） 在与其他物体发生相互作用时才是确定的，在与我们没有相互作用的宇宙深处，时空保持着其量子叠加的属性，时间的不确定性弥漫于宇宙的其余部分。

SAIXIANSHENG

没有时间的世界，该如何描述

经典物理将世界描述为由时空搭建起的框架，物质在其中存在，事件（相互作用）在其中有序发生；在量子理论的框架下，我们逐渐清晰，时空不再是一个背景舞台，并不独立于物质存在，而是通过基本粒子的相互作用来浮现的。而基本粒子的存在在还原论的一步步拆解下逐渐瓦解，到头来，我们发现基本粒子只是场的激发，物质的本质是场的动态表现。“物体”本身仅仅是暂时没有变化的事件。世界不是物质的集合，而是事件的网络。

物质的集合→事件的网络，物理学对世界的解释还在演变之中

所有流传至今的物理方程所描述的都是变化，而不是存在。柏拉图曾尝试将形成万物的基本粒子分为五种不同的基础几何体，开普勒也曾在探索行星轨道大小的时候被多面体层层嵌套的结构着迷，但他们完全走错了方向。牛顿力学，麦克斯韦方程组，量子力学等描述的都是变化而非存在。

在这些方程中无一不存在着特殊变量t，仿佛一切变化都有一块放之四海而皆准的钟表来控制。但是现在我们明白了，在不同地区，不同速度下运动的物理并不存在统一的时间，这些方程也并非只有在过去指向未来这一个方向时适用。我们无法把宇宙按照单一的时间顺序来排列，并不意味着没有事物在变化。但该如何抛弃掉时间这一不够准切的概念来描述世界呢？

1967年，不含时间变量的量子引力方程问世——惠勒-德威特方程，这一方程标志着圈量子引力理论的起源。与传统描述事物随时间演化的物理方程不同，惠勒-德威特方程并不描述事物在时间中如何演化，而是描述事物相对于彼此怎样变化。

时间完全不确定，但仍有方程告诉我们发生了什么

约翰·惠勒与布莱斯·德威特

圈量子引力论提供了一种方式来描述没有时间的世界，场以分立 （基本粒子） 的形式展现，这些基本粒子并不存在于时空之内，而是相互作用形成时间和空间。在这个视角下，时空是动态的、由基本粒子的相互作用所显现的物理实体，而不是一个外部的、静态的舞台。不存在一个绝对的独立的时空框架，因为没有什么在我们“外面”。

SAIXIANSHENG

重建时间

时间的起源

其实就算我们带着这些对时间的重重误解，也不会对我们的日常生活产生什么影响，毕竟只有在极快速的运动中；星球之外的遥远距离；极其微观的尺度与并不存在相互作用的系统下时间才会失去原本的模样，但物理学不会止步于此，它需要一次次的重建体系来囊括新的认知。

我们不禁追问，在最微观的尺度，时间究竟是如何从没有时间的世界中起源的？卡洛·罗韦利在书中给出了两种解释：

我们知道，孤立系统中总能量守恒，而能量与时间又是一对紧密联系的物理量，物理学家们称为共轭关系。封闭的盒子中气体分子相互碰撞，混合均匀的过程中系统的总能量是守恒的，我们以往的解释是将时间视作绝对，能量随时间演化，并依次呈现出系统的宏观状态。因此这套关系的逻辑链条为：时间→能量→宏观态。

但我们现在放弃将时间设为初始目标，而是站在我们的观测视角去描述系统：我们看不到粒子的碰撞，我们只看到了盒子这个整体，系统的宏观态可以被解释为具有一定能量分布的模式，而知道了一个系统的能量 （计算中准确来说是哈密顿量） 以及能量与其他变量的关联，就相当于知道时间如何流动。那么逻辑链条将变为：宏观态→能量→时间。

时间变量的先验性被抛弃，宏观状态与时间演化之间的关系被反转，并不是时间的演化决定了宏观态，而是对宏观态模糊的观察带来了时间。这样由宏观状态确定的时间被称为“热力学时间”。

书中另一个让笔者感到眼前一亮的描述是法国数学家阿兰·科纳指出的：时间起源于量子相互作用中非对易量的确定。

在量子力学中，如果两个物理量不对易，则它们的测量顺序会影响最终结果，这种性质称为非对易性。位置和动量 （速度） 就是一对非对易量，如果我们在测量电子的时候先确定位置再确定速度，就会与先确定速度再确定位置得到的电子状态不同。在这里，“测量”这个概念可以替换为更广义的“相互作用”，毕竟世界正在发生的数不清的事件并不总是在一位穿着白大褂的实验物理学家注视下完成的。

确定一个物理量需要测量（或者说相互作用），这些相互作用的效果取决于确定非对易量的顺序，这一顺序正是时间的源头。科纳也为此提供了一套与之对应的复杂数学：非对易冯诺依曼代数，证明了时间流可以由物理量的非对易隐含的定义。非对易确定了顺序，在确定两个物理量的同时也带来了时间的起源。更多的研究表明，前文所说的由宏观状态决定的热力学时间与量子非对易决定的时间是同一现象的不同方面。

时间的方向

找到了微观尺度下时间起源的线索，我们来到最终的问题：为什么时间总是由过去流向未来？为什么宇宙过去的熵就低呢？卡洛罗韦利在这本书中给出了一个非常迷人的大胆的猜想：

熵，作为物理学中描述无序度的量，也是个相对量，就像速度一样。

A相对于B的熵不是A本身的属性，而是B在观察A时（或者说在A与B之间的相互作用中），B无法区分的A的状态的数量。

当今的理论认为整个宇宙的过去都是低熵的，一直追溯回大爆炸。但是，宇宙的熵可能并非取决于宇宙的状态，而是取决于我们模糊看待宇宙的方式。在与整个宇宙的相互作用中，并非所有的变量都会与我们或者我们所在的那部分世界相互作用，我们无视了很多变量。而我们与世界的这种相互作用，以及描述世界所用的一小部分宏观变量是模糊的，统计性的，正是由于这种显著的模糊，相对于我们，宇宙最初的熵才很低。

因此，我们对过去低熵的判断可能仅仅是基于对宇宙全貌的部分认知。斗转星移是最让人信服的类比，长久以来我们看到日月星辰在天空旋转，误以为这是天空本身的属性，但最终明白了旋转的是我们……

宇宙最初的低熵也许是由于我们与宇宙相互作用的特殊方式，时间的流动也许不是宇宙的特征，就像天空的旋转来自我们特殊的视角。这难道不比整个宇宙在过去都是低熵的、特殊的更能够被接受吗？

在我们特殊视角观察到的世界里，相对于我们，宇宙最初是低熵的。低熵源成为了推动一切的力量，使得热力学第二定律定律成立，使得各种能量转化为热量，使得热量被捕获而留下痕迹，痕迹会留下，记忆会存在，也会有进化、生命与思想。……这就是过去与未来之间的区别，时间流动性的来源。

截至目前，我们对时间的讨论还都集中于物理层面，这本书最后一部分还将关注点集中于人类自身。在宗教与哲学方面，基督创世，佛教轮回，神是永恒的存在一定程度上减轻了我们对无法理解的时间的恐惧。另一方面，我们对时间充满情感，感叹时光飞逝世事变迁，也遗憾覆水难收破镜难圆，甚至《头脑特工队》中出场次数最低的怀旧奶奶会成为观众们最戳心窝的存在。我们时常回忆，时常梦想，即便是在基础层面上试图理解了时间的物理本质，我们也无法逃脱时间在情感层面上的影响，我们仍会惊叹于这一切的存在。

《头脑特工队》中的怀旧奶奶

作为量子引力领域的理论物理学家与科学史和科学哲学学者，卡洛·罗韦利不仅关注严密的逻辑推理，更关注的是让读者拥有超越日常体验的新思路。引用书中的一段话来结尾：

我们甚至不清楚“理解”是什么意思。我们看到世界，进行描述，赋予它秩序。我们几乎不知道我们所见的世界与世界本身之间的关系。我们知道自己其实是近视，只能勉强看到物体辐射的巨大电磁波谱中一个微小的窗口。我们看不到物质的原子结构，看不到空间的弯曲。我们看到的自洽世界，只不过是从我们与宇宙的接触中推断出来的，而且要用我们愚蠢至极的大脑能够应付的过度简化的语言进行组织。我们按照石头、山川、云朵和人来理解世界，而这是“我们的世界”。关于那个独立于我们的世界，我们知道很多，却不知道这个“很多”是多少。

李晨睿 | 撰文

来源：赛先生

编辑：月

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

扫码进入“科学与中国”小程序，可观看以院士科普视频为代表的优秀科普视频，第一时间获取中国科学院公众科学日、科学节等科普活动报名信息。

1.2.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.