沒有時間的世界，該如何描述？

圖源：Pixabay

導讀：

一年又一年，時間到底是什麼？時間的流逝意味著什麼？相信不少人都有過類似的疑問。

許多作品都曾試圖探索時間的本質。《時間的秩序》則是一本極具文學性與哲學性的著作，推翻了時間大廈並將其重建，結合最前沿的理論成果與厚重的科學史背景，徹底顛覆了人們對時間的固有認識。

李晨睿 | 撰文

如果我們問身邊人時間是什麼，得到的回答大多是：時間是一條單向的，均勻流逝的河流，獨立於其他事物。這不僅來自於“逝者如斯夫”的中國古代哲學觀，也被學生時代天天打交道的牛頓的絕對時空觀滲透——即便所有物質都消失，絕對的時間和空間依舊存在，構成世界的框架。

隨著科學家對微觀尺度世界的一步步深入研究，時間的概念正在逐漸瓦解並被重建。剝開層層表象，我們會發現，時間的本質遠比我們想象的要複雜和微妙。讓我們跟隨義大利物理學家，科普作家卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）的《時間的秩序》這本書，深入世界的底層去探索時間的奧秘。

SAIXIANSHENG

對於時間的誤解

誤解一：

時間對於任何運動，在任何地點都是統一的

愛因斯坦在先於觀測之前，就理解了時間並非像我們感受到的那樣均勻流逝：速度可以延緩時間，質量同樣也可以延緩時間。這分別是狹義相對論中的時間膨脹和廣義相對論中的時空彎曲。

在我們熟知的《星際穿越》中，庫珀在黑洞視界附近的星球上耽誤了幾個小時，由於巨大的引力場和公轉速度，回到空間站時，他的夥伴已經整整等待了23年。

相對論的問世對我們理解宇宙與時間帶來了巨大沖擊，並且已經被眾多實驗所證實。它告訴我們：宇宙中並不存在一個統一的時間標準，時間流逝對於在不同地方，以不同速度運動著的物體（觀測者）是不均勻的。物理學流傳至今的幾乎所有方程中都包含著特殊變數t，但這些方程中的t並不是全域性統一的時間，而是指與特定事件相關的，位於同一地點的時鐘所測量的唯一的時間，即“固有時”（proper time）。

誤解二：

時間是單向的箭頭，永遠從過去指向未來

我們並不會感受到山頂和山腳由引力帶來的那一丁點兒的時間差，相比起來，我們對時間最大的體驗是時間的方向性。過去與未來的區別起源於此，因果關係起源於此，生命起源於此，思考的深入起源於此……

牛頓定律，麥克斯韋方程組，薛定諤方程，相對論等等這些方程都是時間對稱的，就比方說小球的自由落體與垂直上拋並不存在本質區別，這些物理方程都沒有指出時間的方向，只有熱力學第二定律是唯一一條能把過去與未來分開的物理定律。看過《信條》的讀者可能會說，時間的方向就是熵增的方向，時間就是熵增。但熵增的本質又是什麼呢？

熵描述的是某一宏觀狀態所對應的我們無法識別的微觀狀態數S∝lnΩ，熵增即是一個系統朝著可能的微觀狀態數更多的方向演化，直到達到熱平衡（熵最大）。我們無法區分這些微觀狀態，而是以統計的方法得出：一個宏觀狀態所對應的無法識別的微觀狀態越多，系統處於這個宏觀狀態的機率就越大。熵增的本質就是系統向著最大機率的狀態去演化。

是我們對於微觀狀態的不可區分導致了時間的方向，換句話說，如果我們能夠識別事物的一個宏觀狀態對應的每一個微觀狀態（這往往是天文數字），那麼過去和未來的區別就會消失。深入思考這個結論會讓人感到不安，我們如此真切的時間流逝的感覺，竟然源於統計描述的模糊，而這種模糊的起源則是量子不確定性。

誤解三：天涯共此時

我們“現在”在望遠鏡中觀察三體星比鄰星b時，看到的是它四年以前的樣子，而不是它“現在”的樣子。

想象我們已經能與遙遠外星文明通訊，當我們問外星朋友“你現在在幹嘛”時，由於光速的限制，他們回答的將是他們收到我們資訊時的狀態，而不是我們發出資訊時他們的狀態。我們與遙遠的外星朋友之間，不存在同一個現在。

因此，現在的概念或者說當下的概念只涉及我們鄰近的事物，宇宙不是由一個統一的當下跳到下一個統一的當下的順序結構（如左圖），而是在每一個局域都有一個自己的度量，物理學家們定義了光錐來解釋不同局域的時空結構（中圖），當時空被質量扭曲或者引力波經過時，每個局域的光錐就會改變方向，像是被一陣風吹亂（右圖）。

書中對於“當下”這一概念演變的解釋圖

小知識：光錐由現在平面界定，當然這裡的現在就是區域性的現在。光錐包含未來光錐與現在光錐，被簡化為2維的3維空間軸平行於“現在”平面，時間軸垂直於“現在”平面，上下圓錐體的45度的夾角則表示光線沿著時間在空間上能夠傳播的最大範圍，任何的運動與資訊傳遞不可能超過這個範圍。而在光錐之外，過去的事件無法影響現在，現在的行為也無法改變未來，這也許就是《三體》中“光錐之內就是命運”這句話的由來。

宇宙中客觀且統一的當下是不存在的，我們所說的當下就像是我們周圍的一個氣泡，這個氣泡能延伸多遠則取決於我們感知時間的靈敏度。人類眼睛分辨的最短時間通常在100毫秒左右，因此，我們的整個地球都在這個當下的氣泡裡，造成我們“天涯共此時”的固有直覺。

誤解四：時間獨立於世間萬物

牛頓的絕對時空觀深深植根於我們對物理學的初步理解：存在一個絕對的，真實的，數學的時間，超越有形的物質存在。就算所有運動停止，甚至思維都停滯，這個時間依然在流逝。當然，這是牛頓的觀點，並不應該成為整個人類的觀點。

在牛頓之前，亞里士多德認為：時間就是對變化的量度，如果一切都不改變，時間就不存在。

愛因斯坦將這兩個巨人的觀點重新整合：時間確實是牛頓所想的真實存在的，但不是絕對的，也並不獨立於世界上其他的物質。時空就是引力場。引力場和其他場一樣，構成世界上的物質。“狄拉克場”構成我們面前的桌子；“電磁場“構成我們看到的光亮；“引力場”則構成時空。時間和空間並不是獨立於世界上其他物體的背景舞臺，他們和世界上的其他物質沒有區別。（經過科普媒介的努力，時空（引力場）在我們心中成為了有彈性的床單這樣一副形象，但這其實還不夠準確。）

誤解五：

時空不是平滑連續的床單，而是量子化的

但這塊平整的連續的時空床單又很快被量子力學的出現而撕開，所有的場，當然也包括引力場都是具有量子特性的：分立的；不確定的；相關聯的。

對量子世界的一切現象而言，都存在著最小尺度，時間也不例外，這個量叫做普朗克時間：5.39×10⁻⁴⁴s，如果我們有及其精密的鐘表，就會發現測量到的時間變成一份一份的，連續的時間在極小尺度將不復存在。其次，時空是像電子一樣的實體，因此與電子位置漲落成一片電子雲類似，時空也會漲落並處於不同狀態的疊加中，光錐的指向也不再確定。

每一個區域性的當下的時空結構在不進行相互作用時都是不確定的

當然，這種不確定性會在相互作用時消失，就像電子被螢幕捕獲時機率雲坍縮為確定的點一樣。引力場（時空）在與其他物體發生相互作用時才是確定的，在與我們沒有相互作用的宇宙深處，時空保持著其量子疊加的屬性，時間的不確定性瀰漫於宇宙的其餘部分。

SAIXIANSHENG

沒有時間的世界，該如何描述

經典物理將世界描述為由時空搭建起的框架，物質在其中存在，事件（相互作用）在其中有序發生；在量子理論的框架下，我們逐漸清晰，時空不再是一個背景舞臺，並不獨立於物質存在，而是透過基本粒子的相互作用來浮現的。而基本粒子的存在在還原論的一步步拆解下逐漸瓦解，到頭來，我們發現基本粒子只是場的激發，物質的本質是場的動態表現。“物體”本身僅僅是暫時沒有變化的事件。世界不是物質的集合，而是事件的網路。

物質的集合→事件的網路，物理學對世界的解釋還在演變之中

所有流傳至今的物理方程所描述的都是變化，而不是存在。柏拉圖曾嘗試將形成萬物的基本粒子分為五種不同的基礎幾何體，開普勒也曾在探索行星軌道大小的時候被多面體層層巢狀的結構著迷，但他們完全走錯了方向。牛頓力學，麥克斯韋方程組，量子力學等描述的都是變化而非存在。

在這些方程中無一不存在著特殊變數t，彷彿一切變化都有一塊放之四海而皆準的鐘表來控制。但是現在我們明白了，在不同地區，不同速度下運動的物理並不存在統一的時間，這些方程也並非只有在過去指向未來這一個方向時適用。我們無法把宇宙按照單一的時間順序來排列，並不意味著沒有事物在變化。但該如何拋棄掉時間這一不夠準切的概念來描述世界呢？

1967年，不含時間變數的量子引力方程問世——惠勒-德威特方程，這一方程標誌著圈量子引力理論的起源。與傳統描述事物隨時間演化的物理方程不同，惠勒-德威特方程並不描述事物在時間中如何演化，而是描述事物相對於彼此怎樣變化。

時間完全不確定，但仍有方程告訴我們發生了什麼

約翰·惠勒與布萊斯·德威特

圈量子引力論提供了一種方式來描述沒有時間的世界，場以分立（基本粒子）的形式展現，這些基本粒子並不存在於時空之內，而是相互作用形成時間和空間。在這個視角下，時空是動態的、由基本粒子的相互作用所顯現的物理實體，而不是一個外部的、靜態的舞臺。不存在一個絕對的獨立的時空框架，因為沒有什麼在我們“外面”。

SAIXIANSHENG

重建時間

時間的起源

其實就算我們帶著這些對時間的重重誤解，也不會對我們的日常生活產生什麼影響，畢竟只有在極快速的運動中；星球之外的遙遠距離；極其微觀的尺度與並不存在相互作用的系統下時間才會失去原本的模樣，但物理學不會止步於此，它需要一次次的重建體系來囊括新的認知。

我們不禁追問，在最微觀的尺度，時間究竟是如何從沒有時間的世界中起源的？卡洛·羅韋利在書中給出了兩種解釋：

我們知道，孤立系統中總能量守恆，而能量與時間又是一對緊密聯絡的物理量，物理學家們稱為共軛關係。封閉的盒子中氣體分子相互碰撞，混合均勻的過程中系統的總能量是守恆的，我們以往的解釋是將時間視作絕對，能量隨時間演化，並依次呈現出系統的宏觀狀態。因此這套關係的邏輯鏈條為：時間→能量→宏觀態。

但我們現在放棄將時間設為初始目標，而是站在我們的觀測視角去描述系統：我們看不到粒子的碰撞，我們只看到了盒子這個整體，系統的宏觀態可以被解釋為具有一定能量分佈的模式，而知道了一個系統的能量（計算中準確來說是哈密頓量）以及能量與其他變數的關聯，就相當於知道時間如何流動。那麼邏輯鏈條將變為：宏觀態→能量→時間。

時間變數的先驗性被拋棄，宏觀狀態與時間演化之間的關係被反轉，並不是時間的演化決定了宏觀態，而是對宏觀態模糊的觀察帶來了時間。這樣由宏觀狀態確定的時間被稱為“熱力學時間”。

書中另一個讓筆者感到眼前一亮的描述是法國數學家阿蘭·科納指出的：時間起源於量子相互作用中非對易量的確定。

在量子力學中，如果兩個物理量不對易，則它們的測量順序會影響最終結果，這種性質稱為非對易性。位置和動量（速度）就是一對非對易量，如果我們在測量電子的時候先確定位置再確定速度，就會與先確定速度再確定位置得到的電子狀態不同。在這裡，“測量”這個概念可以替換為更廣義的“相互作用”，畢竟世界正在發生的數不清的事件並不總是在一位穿著白大褂的實驗物理學家注視下完成的。

確定一個物理量需要測量（或者說相互作用），這些相互作用的效果取決於確定非對易量的順序，這一順序正是時間的源頭。科納也為此提供了一套與之對應的複雜數學：非對易馮諾依曼代數，證明了時間流可以由物理量的非對易隱含的定義。非對易確定了順序，在確定兩個物理量的同時也帶來了時間的起源。更多的研究表明，前文所說的由宏觀狀態決定的熱力學時間與量子非對易決定的時間是同一現象的不同方面。

時間的方向

找到了微觀尺度下時間起源的線索，我們來到最終的問題：為什麼時間總是由過去流向未來？為什麼宇宙過去的熵就低呢？卡洛羅韋利在這本書中給出了一個非常迷人的大膽的猜想：

熵，作為物理學中描述無序度的量，也是個相對量，就像速度一樣。

A相對於B的熵不是A本身的屬性，而是B在觀察A時（或者說在A與B之間的相互作用中），B無法區分的A的狀態的數量。

當今的理論認為整個宇宙的過去都是低熵的，一直追溯回大爆炸。但是，宇宙的熵可能並非取決於宇宙的狀態，而是取決於我們模糊看待宇宙的方式。在與整個宇宙的相互作用中，並非所有的變數都會與我們或者我們所在的那部分世界相互作用，我們無視了很多變數。而我們與世界的這種相互作用，以及描述世界所用的一小部分宏觀變數是模糊的，統計性的，正是由於這種顯著的模糊，相對於我們，宇宙最初的熵才很低。

因此，我們對過去低熵的判斷可能僅僅是基於對宇宙全貌的部分認知。斗轉星移是最讓人信服的類比，長久以來我們看到日月星辰在天空旋轉，誤以為這是天空本身的屬性，但最終明白了旋轉的是我們……

宇宙最初的低熵也許是由於我們與宇宙相互作用的特殊方式，時間的流動也許不是宇宙的特徵，就像天空的旋轉來自我們特殊的視角。這難道不比整個宇宙在過去都是低熵的、特殊的更能夠被接受嗎？

在我們特殊視角觀察到的世界裡，相對於我們，宇宙最初是低熵的。低熵源成為了推動一切的力量，使得熱力學第二定律定律成立，使得各種能量轉化為熱量，使得熱量被捕獲而留下痕跡，痕跡會留下，記憶會存在，也會有進化、生命與思想。……這就是過去與未來之間的區別，時間流動性的來源。

截至目前，我們對時間的討論還都集中於物理層面，這本書最後一部分還將關注點集中於人類自身。在宗教與哲學方面，基督創世，佛教輪迴，神是永恆的存在一定程度上減輕了我們對無法理解的時間的恐懼。另一方面，我們對時間充滿情感，感嘆時光飛逝世事變遷，也遺憾覆水難收破鏡難圓，甚至《頭腦特工隊》中出場次數最低的懷舊奶奶會成為觀眾們最戳心窩的存在。我們時常回憶，時常夢想，即便是在基礎層面上試圖理解了時間的物理本質，我們也無法逃脫時間在情感層面上的影響，我們仍會驚歎於這一切的存在。

《頭腦特工隊》中的懷舊奶奶

作為量子引力領域的理論物理學家與科學史和科學哲學學者，卡洛·羅韋利不僅關注嚴密的邏輯推理，更關注的是讓讀者擁有超越日常體驗的新思路。引用書中的一段話來結尾：

我們甚至不清楚“理解”是什麼意思。我們看到世界，進行描述，賦予它秩序。我們幾乎不知道我們所見的世界與世界本身之間的關係。我們知道自己其實是近視，只能勉強看到物體輻射的巨大電磁波譜中一個微小的視窗。我們看不到物質的原子結構，看不到空間的彎曲。我們看到的自洽世界，只不過是從我們與宇宙的接觸中推斷出來的，而且要用我們愚蠢至極的大腦能夠應付的過度簡化的語言進行組織。我們按照石頭、山川、雲朵和人來理解世界，而這是“我們的世界”。關於那個獨立於我們的世界，我們知道很多，卻不知道這個“很多”是多少。