作者：澤婭·梅拉利（Zeeya Merali）
插畫：乍得·海根（Chad Hagen）
翻譯：老孫
原載：nautil.us

“死亡”，“結(jié)婚”,，“出生”。將這些詞語排列成人的一生一點(diǎn)兒也不費(fèi)勁,。這要感謝存在于我們大腦中的時空感，它簡單明了：墳?zāi)箍偸且旁谧訉m之后,，不會出現(xiàn)其它情況,。

但是在基本層面上,，時間的起源是一個謎,。“這是科學(xué)前沿最深奧的一個問題,，但是當(dāng)我們質(zhì)問‘時間是什么,？它從何而來？’時,，其含義是含混不清的,，”新澤西普林斯頓高級研究院（IAS）的物理學(xué)家尼馬·阿爾坎尼·哈米德（Nima Arkani Hamed）這樣說，“因?yàn)槲覀儫o法想像沒有時間的世界和沒有時間的物理學(xué),，僅此而已,。”

與擔(dān)心失去時間而給我們帶來的困惑相伴而來的,，卻是越來越多的相反證據(jù),。這些證據(jù)表明，在大多數(shù)基本層面的現(xiàn)實(shí)中,，時間是一種假象,。而更為奇特的是，實(shí)驗(yàn)室中的激光測試,，以及我們在超弦理論——這個認(rèn)為粒子是由微小能量線組成的理論框架認(rèn)知方面的進(jìn)展正在指出,，時間實(shí)際上并不存在。

在不到一個世紀(jì)之前,，人們印象中的時空觀念還遠(yuǎn)沒有這么復(fù)雜,。物理學(xué)家非常快樂地在確定的三維空間背景上追蹤物體的移動軌跡,，并用上帝提供的唯一秒表計算它們的速度,。他們相信秒針的跳動無論在宇宙中的何處都擁有相同的速率。但是到了20世紀(jì)早期,，物理學(xué)上的兩大的變革打亂了這種看法,。

第一個變革是愛因斯坦的相對論。它將時間和空間編織在一起,，使其成為一個靈活的四維結(jié)構(gòu),。愛因斯坦稱這個結(jié)構(gòu)為“時空”。時空會被大質(zhì)量的物體影響,，產(chǎn)生一個曲面,。質(zhì)量較小的物體能夠沿著這些曲面,，向較大質(zhì)量的物體滾動。這一現(xiàn)象即是宇宙中無處不在的引力,。在這個新的宇宙理論中,，時間不再是一成不變的旁觀者，而是一個與空間交織在一起并與之相互關(guān)聯(lián)的維度,。與其它可測且確定的維度不同,，時間是相對的。愛因斯坦相對論表明,，時鐘運(yùn)行的速率會因它在空間中的運(yùn)動和鄰近大質(zhì)量物體引力影響而發(fā)生變化,。

第二個是量子力學(xué)。量子力學(xué)是研究亞原子領(lǐng)域的物理學(xué),。量子力學(xué)中的微觀世界表現(xiàn)得相當(dāng)奇特,。例如，兩個粒子可以進(jìn)入一種“糾纏”態(tài),。在這樣的狀態(tài)中,，它們的活動會同步。實(shí)驗(yàn)證明,，其中一個粒子的活動會即刻影響到另一個,，無論它們相距有多遠(yuǎn)。換而言之,，這兩個相距遙遠(yuǎn)的粒子會在瞬間發(fā)生通訊,。這顯然違反了沒有物體的運(yùn)動速度可以超過光速這一定律，也與時間本身的概念不符,。

越來越多的證據(jù)表明，在大多數(shù)基本層面的現(xiàn)實(shí)中,，時間是一種假象,。更奇怪的是，時間實(shí)際上并不存在,。

但是真正的“時間問題”是在20世紀(jì)60年代開始浮現(xiàn)的,，當(dāng)時物理學(xué)家試圖將這兩大理論框架合二為一——它們中的每一個都能夠很好地在它們自己的領(lǐng)域內(nèi)解釋我們的宇宙，一個極小,，一個極大,。于是人們試圖獲取一種能夠“解釋一切的理論”，一種能夠涵蓋所有尺度的規(guī)則,。其中最有名,，也最有爭議的假說來自新澤西的物理學(xué)家，普林斯頓大學(xué)的約翰·惠勒（John Wheeler）,，以及IAS的布萊斯·德維特（Bryce DeWitt）,。這兩位科學(xué)家試圖用量子力學(xué)來解釋宇宙中的一切——他們想把種微觀的物理學(xué)應(yīng)用到行星,、星系和其它大尺度的宇宙結(jié)構(gòu)上。許多人都懷疑他們的嘗試是否有效,，正如意大利都靈研究和測量國家學(xué)院（INRIM）的量子物理學(xué)家馬可·吉諾維斯（Marco Genovese）所言,，沒有證據(jù)表明量子定律在整個宇宙中都適用。但是至少這種將兩種理論數(shù)學(xué)形式結(jié)合起來的嘗試本身還是有價值的,。

這兩位物理學(xué)家在把愛因斯坦的相對論方程式和量子物理結(jié)合起來后,，便被嚇到了。在這兩種體系中,，時間都是一種變量,，各自貫穿在事件的發(fā)展中。但是當(dāng)這二者相結(jié)合后,，時間變量幾乎完全地從數(shù)學(xué)方程式中消失了,。他們還搞出了一個新的方程式，來解釋宇宙的行為,，但是在這個數(shù)學(xué)描述中,，也沒有表示變化或者時間的變量?！盎堇?德維特方程式顯示宇宙是靜止不變的,，”吉諾維斯說，“但是,，很顯然,，我們都在經(jīng)歷時間和變化?！?/p>

宇宙不變的結(jié)論顯然是錯的,。然而物理學(xué)家們沒能在惠勒和德維特的演算過程中找到任何失誤。那么他們可能是誤以為整個宇宙都能夠用量子術(shù)語來描述了,。但是也存在另一種有趣的可能性,。這種可能性是20世紀(jì)80年代由物理學(xué)家唐·佩奇（Don Page）和威廉·沃特斯（William Wooters）提出的。他們現(xiàn)在一個在加拿大艾德蒙頓阿爾伯塔大學(xué),，一個在馬塞諸塞州威廉姆斯鎮(zhèn)的威廉姆斯學(xué)院,。

佩奇和沃特斯認(rèn)為，針對這個有爭議的概念,，其實(shí)可以視整個宇宙為一個巨大的量子物體——它和電子,、質(zhì)子和其它亞原子世界中的微小粒子遵循著同樣的物理定律。他們想像能夠把宇宙分成兩部分,?；诹孔佣桑@兩部分會發(fā)生糾纏,。實(shí)驗(yàn)表明,，兩個處于糾纏態(tài)的粒子會保持同步,，但是其中一個會以相反方式活動。假如一個以順時針方向旋轉(zhuǎn),，那另一個就會在瞬間以逆時針方向旋轉(zhuǎn),。因此，假如將兩者累加,，它們屬性就剛好抵銷,。佩奇和沃特斯認(rèn)為，宇宙的運(yùn)作也是以同樣方式進(jìn)行的,。間隔開的宇宙各部分都在各自獨(dú)立地發(fā)展,，但是由于它們處于糾纏態(tài)，其中一部分的變化會被另一部分平衡掉,。因此對于這部分宇宙內(nèi)的人來說,，時間在流逝；而對于外部的觀察者來說,，宇宙是靜態(tài)的,。

佩奇和沃特斯提出的這個基于量子糾纏的理論草圖認(rèn)為宇宙對于外部觀察者來說可能是靜態(tài)的，這一想法看上去似乎沒有辦法來證明,。但是2013年,，吉諾維斯和他同事在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了一項(xiàng)測試實(shí)驗(yàn)，他們至少在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中創(chuàng)造出了一個僅由兩個光子組成的微型宇宙模型,。這一實(shí)驗(yàn)想要證明的是,，存在一種外部觀察不變而內(nèi)部處于演化中的量子狀態(tài)是可能的。

為了做這個實(shí)驗(yàn),，吉諾維斯需要監(jiān)視光子的極化狀態(tài)——它們顫動的方向,。如果一個極化的粒子能夠以一個恒定的速度旋轉(zhuǎn)，那么它在某一時刻的位置就可以在時間間隔上作出標(biāo)記,，這就像時鐘上的秒針一樣,。兩個糾纏在一起的光子極化狀態(tài)是相反的。在瞬間,，如果其中一個的極化狀態(tài)是上下移動，那么另一個就會是左右顫動,。

“我們看到的是宇宙的開始,，時間的概念在此毫無意義?！?/p>

為了讓他們的光子“秒針”開始走動,，小組決定讓它們通過石英板，使它們極化并開始旋轉(zhuǎn),。旋轉(zhuǎn)的值與它們通過石英板的實(shí)際時間有關(guān),，這使物理學(xué)家們有了能夠測量時間的方法,。他們將這一實(shí)驗(yàn)做了許多次，每一次都在不同的時刻停止,，并測量其中一個光子的極化狀態(tài),。“通過對第一個‘時鐘’光子的測量,，我們就與之糾纏在了一起,，”吉諾維斯說?！斑@意味著我們成為了那個宇宙的一部分,，并且可以由此獲知另一個粒子的變化?！被谶@一能力,，小組確認(rèn)，當(dāng)測量其中一個光子時,，另一個光子就會發(fā)生變化,。這和沃特斯和佩奇所認(rèn)為的，假如測量宇宙的一部分,，那么就另一部分宇宙就會發(fā)生演化是相同的道理,。

當(dāng)然，吉諾維斯仍然需要驗(yàn)證這個假說的第二部分：把這一對處于糾纏態(tài)的粒子作為一個整體從外部來觀察時,，它應(yīng)該是靜態(tài)的,。在這部分實(shí)驗(yàn)中，小組站在了宇宙外“超級觀察者”的角度,。外部觀察者不可能看到兩個光子中任意一個的單獨(dú)狀態(tài),，因?yàn)槿绻@么做了，他就會和這兩個光子糾纏在一起,，并成為一個內(nèi)部觀察者,。因此觀察者只能夠測量這對光子的聯(lián)合狀態(tài)。小組將這一測試進(jìn)行了許多次,，并停止在不同的點(diǎn),。他們將這兩個光子視為一個聯(lián)合的整體并測量它們的聯(lián)合極化狀態(tài)。每一次他們都能確認(rèn)這兩個糾纏在一起的光子的極化狀態(tài)都相同,，但方式各不相同,。無論過去多久，這兩個光子表現(xiàn)得非常平靜并且像是一個整體,。因此這個迷你宇宙從外界觀察是靜態(tài)并且完全沒有變化的,。這證明了惠勒和德維特發(fā)現(xiàn)的所謂“時間問題”，可以通過假設(shè)時間是量子糾纏產(chǎn)物來解決,。

在過去數(shù)十年間,，對虛無縹緲的時間本質(zhì)問題的支持也在超弦理論中出現(xiàn),。這一理論最初出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，用以描述原子中將基本粒子結(jié)合成原子的強(qiáng)核力,。在對強(qiáng)互作用力進(jìn)行研究時,，物理學(xué)家們有了一個關(guān)于亞原子粒子——這些據(jù)信是宇宙中最小的物體的觀點(diǎn)，即它們實(shí)際上是由微小的振動的弦組成的,。

這個對自然界基本構(gòu)造的理解方式具有深遠(yuǎn)的意義,。它證明超弦理論對惠勒和德維特這樣的研究者來說是有多么的重要，這些研究者想要把相對論和量子力學(xué)合二為一,。而對于了解宇宙大爆炸后不久,，所有物質(zhì)都被擠壓在一個極小體積內(nèi)的宇宙看起來是什么樣子需要有這樣統(tǒng)一的框架。一個統(tǒng)一的理論也有助于了解黑洞——這些在引力的作用下,，所有物質(zhì)坍縮成一個無體積小點(diǎn)的恒星尸骸內(nèi)究竟在發(fā)生什么,。

在超弦理論之前，物理學(xué)家想要把相對論和量子力學(xué)方程式合并起來會遇到麻煩,。合并后的數(shù)學(xué)公式會告訴我們,，我們周圍充滿了無窮小的點(diǎn)，它們包含著無窮多的能量——這等于說我們被無所不在的黑洞所包圍著,。這當(dāng)然不是真的,。超弦理論通過假設(shè)宇宙中最小的組成部分是弦而回避了這一問題。這意味著在方程式中,，不必?fù)?dān)心空間區(qū)域會小于最基本的限制,，它排除了通過數(shù)學(xué)預(yù)測而出現(xiàn)的無窮大能量或其它不可能產(chǎn)生的結(jié)果的干擾。通過超弦理論,，研究極大和極小的物理學(xué)開始能夠和平共處——至少在超弦理論面前是這樣,。

但是弦的尺度又產(chǎn)生了一個新的問題，這個問題是關(guān)于空間的,，也是關(guān)于時間的,。這是因?yàn)槌依碚撜J(rèn)為沒有任何實(shí)驗(yàn)，無論是多么精確的實(shí)驗(yàn),，能夠?qū)⑿∮趩我幌揖嚯x中發(fā)生的一切展示給我們,。“短距離中發(fā)生的事情,，”IAS超弦理論學(xué)家內(nèi)森·賽伯格（Nathan Seiberg）解釋說,，“是一個模糊不清的概念——也許空間是存在的，但是我們無法測量它,；也有可能根本沒有東西可以供我們測量?！边@意味著空間在一個確定的限制之下,，不能簡單地存在,。由于愛因斯坦在他的相對論中向我們展示了時間只是另一個和空間類似的維度，因此“如果空間變得模湖不清,，那么時間也會是一樣,，”賽伯格說?！叭藗兂枺骸蟊òl(fā)生之前發(fā)生了什么,？’但是我們看到的是宇宙的開始，時間的概念在此毫無意義,?！?/p>

作為宇宙要素，量子糾纏比時間和空間更為基礎(chǔ),。

賽伯格指出,，這一概念上的模糊不清給了超弦理論學(xué)家第一個提示，提示他們在基礎(chǔ)層面上,，時間可能并不存在,。實(shí)際上，我們的時間體驗(yàn)可能是建立在某種基礎(chǔ)之上的,。這有點(diǎn)類似于溫度,。溫度是由一組原子的運(yùn)動所帶來的。單一原子不可能產(chǎn)生溫度,；熱和冷的感覺只意味著你測量到了一大批原子的平均速度：移動快的粒子溫度要高于移動慢的,。與此相似的是，可能是某種基礎(chǔ)的“微?！惫餐屛覀儺a(chǎn)生了時間的體驗(yàn),。但是那些“微粒”是什么呢,？好吧,，“這個問題值64000美元（意為很難回答的重大問題），”賽伯格說,。

更奇怪的是,，超弦理論研究中的最新進(jìn)展指出，時間的種子播種在現(xiàn)實(shí)的各個角落,。這一觀點(diǎn)植根于20世紀(jì)90年代晚期由超弦理論學(xué)家胡安·馬爾達(dá)西那（Juan Maldacena）設(shè)計的一個古怪的宇宙模型,。那時他在哈佛大學(xué)研究尋找一種能夠?qū)⒘孔恿W(xué)和相對論結(jié)合起來的數(shù)學(xué)方式。他覺得他可以通過超弦理論找到這種方式,。

馬爾達(dá)西那想像宇宙就像一個湯罐子,，它的邊界是無窮遠(yuǎn)的。罐子里有弦和黑洞，它們的行為由引力支配,。罐子的表面是普通的亞原子粒子,，它們間的互動遵循量子力學(xué)定律。雖然馬爾達(dá)西那的這個湯罐子和我們這個宇宙不太像,，但還是有助于他了解在最深的層次上,，自然法則是如何聯(lián)系在一起的。

在這個模型中,，廣義相對論統(tǒng)治著罐子里的浩瀚三維空間,，量子力學(xué)則支配罐子二維表面的粒子。馬爾達(dá)西那憑直覺預(yù)感到,，這兩組定律在某種程度上是等效的,，罐內(nèi)的引力效應(yīng)會與罐子表面的量子過程相符，這就像投射在罐壁上的影子一樣,。運(yùn)用這一數(shù)學(xué)模型,，馬爾達(dá)西那實(shí)際上發(fā)現(xiàn)了每一個發(fā)生在罐子表面的量子過程，都有一個發(fā)生在罐子內(nèi)的等效事件相對應(yīng),。馬爾達(dá)西那等人發(fā)展出的這個理論模型指出,，發(fā)生在湯罐表面的量子粒子糾纏能夠通過隧道或“蟲洞”的創(chuàng)建，在其內(nèi)部領(lǐng)域中重寫它們的圖案,。這表明,，量子糾纏本身可能是產(chǎn)生時間和空間特性的基本宇宙過程。

這一觀點(diǎn)也被溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)超弦理論學(xué)家馬克·范·拉姆斯東克（Mark van Raamsdonk）所支持,，他研究了馬爾達(dá)西那的湯罐模型,。運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，他發(fā)現(xiàn)湯罐表面粒子糾纏狀態(tài)的逐漸減弱,，會導(dǎo)致罐子內(nèi)時空結(jié)構(gòu)的崩潰,。這表明量子糾纏在某種意義上扮演著連結(jié)時空線索紐帶的角色；沒有了它,，時空結(jié)構(gòu)本身也將不復(fù)存在,。

作為宇宙的要素，量子糾纏比時間和空間更為基礎(chǔ),。馬爾達(dá)西那的模型為這一觀點(diǎn)提供了更多的支持,。時間已經(jīng)出局，它不再是現(xiàn)實(shí)的基本層面,；它是從基本的“顆?！敝挟a(chǎn)生的。但是當(dāng)不斷涌現(xiàn)的物理學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為時間是一個假象時,，它所隱含的力量也在變大,?！拔业闹庇X告訴我，這不僅僅是要重寫量子物理學(xué),，其它領(lǐng)域也要有全面的突破,，”賽伯格說?！耙仓挥袝r間它自己能夠告訴我們，這會是一場什么樣的變革,?！?/p>

澤婭·梅拉利（Zeeya Merali）為倫敦自由科學(xué)撰稿人，美國“基礎(chǔ)問題研究所（Foundational Questions Institute）”編輯,。