时间真的会“流逝”吗?

作者: Takeko

来源: https://www.newscientist.com/article/mg21128330-500-about-time-why-does-times-arrow-fly-only-one-way/

发布日期: 2020-06-06

本文探讨了时间的本质,从古代的循环时间观到现代物理学中的相对论和量子力学,分析了时间是否有方向性以及为何我们会有时间流逝的感觉。文章还讨论了热力学第二定律和时间之箭的概念,以及科学家在南极的观测是否可能为平行宇宙提供证据。

时间真的会“流逝”吗?

凡是具有天然运动和生死的,都有一个循环。这是因为任何事物都是由时间辨别,都好像根据一个周期开始和结束;因此,甚至时间本身也被认为是个循环。

人们最早对时间的直观认识或许来自对自然的观察。太阳东升西落,四季更迭,花开花落,这些循环的现象让人们形成了一种最初的时间观,认为万物循环,时间本身也是一个循环。

或许更能给人带来一些宽慰,轮回与重生或许能消除些许恐惧。但是在日常生活中,我们最直观的体验是线性的时间。我们可以在空间中向前走两步,再向后退回到原处,但我们却无法在时间流逝两秒后,再回到两秒之前。时间本身真的像我们感受的这样具有方向吗?

从科学的角度来说,“时间概念的诞生”可以追溯到17世纪,也就是牛顿和以他为代表的经典力学体系的出现。在牛顿体系中,时间和空间都是绝对的,任何事情都发生在某个时刻的某个地方,换句话说,牛顿的体系反映了一种决定性的世界观,世界变得可以被预测。但牛顿的理论没有解决的是,经典力学的方程无法断定哪里是过去,哪里是未来,时间的方向被抽走了。

相对论和量子力学是20世纪物理学的两大革命。或者可以这么理解,牛顿的理论是广义相对论在弱引力场下的近似。它符合我们日常的认知,是因为在非相对论性运动和弱引力场下,广义相对论可以简化为牛顿理论。

科学家同样试着在宏观层面上来讨论这个问题。热力学第二定律告诉我们,一个孤立系统的熵(一种系统无序性的度量)在后来时刻的值,将大于(或者至少是不小于)它在之前时刻的值。这条定律关上了永动机幻想的大门,却开辟了一条理解时间流逝的路。

1927年,物理学家爱丁顿最早提出了“时间之箭”(Arrow of Time,又译“时间之矢”)的概念,认为时间的单向性可能与热力学中的熵存在某种联系。

事实上,就在今年,曾出现一些媒体的“小道消息”说,在南极的科学家找到了平行宇宙的证据。这种说法的来源可以追溯到三篇相关的学术论文。最初一篇来自2016年,南极脉冲瞬变天线(ANITA)发现了奇怪的高能粒子信号,那些粒子并不是由太空自上而下的“掉落”的,而是反向“向上升起”的。

一些科学家认为,观测的结果可以为“CPT对称镜像宇宙”提供证据,这个镜像的宇宙和我们所在的宇宙完全相反,时间也是倒退的,因此才会出现“向上”的高能粒子运动。后来,还有一篇相关论文采用了南极“冰立方”中微子天文台(IceCube)的证据,认为需要考虑其他方向来解释ANITA的数据。

因此,从科学层面来说,我们真正能得出的结论其实只有“‘异常’高能粒子信号”,以及“现有的理论无法解释这次观测的罕见事件”。而所谓“找到时间倒流的平行宇宙的证据”,只是一种过度延伸的解读。

这种过度解读或许和人们对“时光倒流”的兴趣密不可分,这种情况也并非第一次发生。2019年,莫斯科物理技术学院的研究人员曾发表论文称,他们在实验中将量子计算机的状态倒流回了几分之一秒之前,论文作者表示,“这是人为创造的一种状态,它朝着与热力学时间之箭相反的方向演化”(详见《科学家逆转了时间之箭?》)。

但物理学界并不接受这种说法。一个形象的比方是,如果将录像倒放,我们或许能看到蒸汽流回茶壶,这看起来似乎是“时光倒流”,但时间其实并没有被逆转。批评者认为,研究涉及的技术的确对测试量子计算机程序有用,但它远没有“时间机器”那么吸引眼球。

即使多元宇宙与时间之箭确有关联,仍有许多问题没有解决。各个领域的科学家仍在努力寻找着各种可能的解释。2009年,一些量子物理学家提出,时间之箭也许可以用量子纠缠来解释。当一个物理系统与周围环境发生纠缠时,它会向平衡点靠近,这种单向的演化决定了时间之箭。

直到今天,我们依旧没能完全回答这个问题。时间之箭出现在众多场景和事件中——进化、衰老、记忆、因果……它的背后仍有广阔的天地等待我们揭示。

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