時(shí)間會不會只是一種幻覺？

設(shè)置星標(biāo)★關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

一大早，我們一把抓過外套，拿起包和鑰匙，急匆匆地出門上班——可能還會瞥一眼墻上的鐘，確認(rèn)時(shí)間是否充裕。時(shí)間的流逝是我們?nèi)粘Ｉ钪斜軣o可避的組成部分，即便你有意不去想它，都會有所感知。

這一切似乎都合情合理，但如果我們轉(zhuǎn)而詢問物理學(xué)怎么從根本上解釋時(shí)間流逝，就會發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題其實(shí)相當(dāng)棘手。

阿爾伯特·愛因斯坦的相對論扭曲了時(shí)間，而量子理論則似乎完全沒有考慮時(shí)間問題，現(xiàn)代物理學(xué)的其他理論無法令人滿意地解釋時(shí)間流逝問題。牛津大學(xué)娜塔莉亞·阿瑞斯（Natalia Ares）說：“這是科學(xué)最大的謎團(tuán)之一。”

不過，物理學(xué)家一直在探索這個(gè)問題的答案，并且提出了各種猜想，其中一個(gè)最為大膽的如今又重新獲得了重視。

早在20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家就提出了一種假說：時(shí)間是一種幻覺，是量子力學(xué)的奇特原理在本無時(shí)間的宇宙中構(gòu)造出來的。這就是彼時(shí)令所有人都眼前一亮的“佩奇-伍特斯機(jī)制”，但當(dāng)時(shí)沒有任何檢驗(yàn)辦法，所以便無疾而終。

如今，40年過去了，對時(shí)間流逝問題的新研究終于讓我們可以細(xì)致考察這個(gè)假說了。另外，種種跡象表明，黑洞可能在時(shí)間流逝問題中扮演了神秘角色。

研究一下現(xiàn)代物理學(xué)的各種定律和方程，提示時(shí)間只能往一個(gè)方向流動(dòng)的唯一線索來自熱力學(xué)第二定律。這個(gè)定律指出，熵（衡量無序程度）總是傾向于增加。這就是為什么牛奶一旦倒到咖啡里就不能分離出來了、城堡坍塌成廢墟后也無法自發(fā)重組成型。

這些結(jié)論當(dāng)然很不錯(cuò)，但還遠(yuǎn)談不上完美解釋時(shí)間的本質(zhì)。例如，按照熱力學(xué)第二定律，宇宙的起點(diǎn)不太可能是一種有序的低熵狀態(tài)，而這就是物理學(xué)無法解釋的。

再來看看愛因斯坦的廣義相對論，這個(gè)理論把時(shí)間和空間融合成一種靈活的思維結(jié)構(gòu)，而且這種結(jié)構(gòu)會在質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)的影響下扭曲。

在廣義相對論框架下，一些令人頭大的效應(yīng)產(chǎn)生了，比如山頂上的時(shí)間流逝得比海平面區(qū)域快，因?yàn)樯巾數(shù)囊Ω　Ａ硗猓谀承O端場景下——比如以接近光速運(yùn)動(dòng)的物體——不同觀測者甚至?xí)Ω鞣N事件的發(fā)生順序產(chǎn)生分歧。愛因斯坦認(rèn)為，只有當(dāng)過去、現(xiàn)在和未來都像翻開的書頁一樣并排存在，這樣的結(jié)論才說得通。

如果說相對論模糊了我們對時(shí)間的認(rèn)識，那么量子理論就幾乎完全抹去了時(shí)間的概念。

在量子理論中，時(shí)間并不是什么不可分割的東西，而是一種在背景中滴答作響的附屬物——理論上，許多量子過程都可以在傳統(tǒng)的時(shí)間意義上雙向發(fā)生。量子理論與測量密切相關(guān)，但與位置、動(dòng)量、能量等物理屬性不同，時(shí)間不能直接測量。我們可以測量粒子的位置，但永遠(yuǎn)無法知道它的時(shí)間。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所物理學(xué)家尼克爾·哈爾彭（Nicole Yunger Halpern）說：“時(shí)間是一個(gè)怪人，它看起來更像是我們手工添加的理論元素，而不是我們可以測量的量子系統(tǒng)的某些自然屬性。”

如此種種讓部分物理學(xué)家產(chǎn)生了一種激進(jìn)的想法：時(shí)間會不會只是一種幻覺，肇始于某種我們還未知曉的更深層次結(jié)構(gòu)？

佩奇-伍特斯機(jī)制

正是這個(gè)想法迫使物理學(xué)家唐·佩奇（Don Page）和威廉·伍特斯（William Wooters）在1983年提出了他們眼中的真實(shí)時(shí)間面貌。和愛因斯坦一樣，他們也把整個(gè)宇宙視為單一靜態(tài)物件。

不過，與廣義相對論把時(shí)間看成并排的翻開書頁不同，佩奇和伍特斯假設(shè)宇宙是一個(gè)巨大的量子波函數(shù)：一種編碼了宇宙一切可能的龐大數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。在這個(gè)波函數(shù)中，每個(gè)粒子和它們可以運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)方向，以及每一個(gè)場都可以折疊進(jìn)一個(gè)波包中。而這個(gè)波函數(shù)本身并不會運(yùn)動(dòng)，它與時(shí)間無關(guān)。

接著，佩奇和伍特斯又把這個(gè)“冰凍”的結(jié)構(gòu)一分為二。他們稱，其中一半描述我們能觀測到的一切“東西”：物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、現(xiàn)實(shí)的混亂等。另一半則起到了內(nèi)部鐘的作用。連接這兩個(gè)部分的是量子物理學(xué)中的一個(gè)怪異特征——“糾纏”，即兩個(gè)處于糾纏狀態(tài)的物體聯(lián)系緊密，其中任何一個(gè)發(fā)生變化都會立刻影響另一個(gè)。

佩奇和伍特斯證明，在他們提出的這個(gè)一分為二的結(jié)構(gòu)中，時(shí)間借助糾纏出現(xiàn)。

時(shí)間可能肇始于糾纏這種奇怪的量子現(xiàn)象

想想躺在桌子上的故事手稿，它就沒有時(shí)間概念：故事的開頭、中間和結(jié)尾都已經(jīng)寫就。可是，要想讀懂整個(gè)故事，就一定要按照正確的順序閱讀手稿書頁，頁碼就提供了一種將人物、情節(jié)、動(dòng)作及其他靜態(tài)元素聯(lián)系起來的結(jié)構(gòu)。佩奇和伍特斯提出，宇宙可能也是按照類似方式運(yùn)轉(zhuǎn)的。

宇宙這個(gè)巨大波函數(shù)中編碼現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的部分就像書頁上的文字。另一個(gè)具備時(shí)鐘功能的部分就起到了頁碼的作用。正是這兩個(gè)部分結(jié)合起來才創(chuàng)造出了時(shí)間展開的體驗(yàn)。以色列特拉維夫大學(xué)西蒙·利亞維茨（Simone Rijavec）說：“我覺得這個(gè)解釋相當(dāng)有說服力。”

甚至有跡象表明，這個(gè)想法并不是憑空捏造出來的空中樓閣。

2024年，意大利國家研究委員會寶拉·維魯奇（Paola Verrucchi）根據(jù)佩奇-伍特斯機(jī)制構(gòu)筑了一個(gè)簡潔的數(shù)學(xué)模型，將一個(gè)由微小磁鐵陣列制成的時(shí)鐘同一個(gè)性質(zhì)類似彈簧的量子系統(tǒng)置于糾纏狀態(tài)之下。

從外部看，這個(gè)系統(tǒng)是靜態(tài)的，保持在恒定能量的某個(gè)固定量子態(tài)中。不過，相對于時(shí)鐘部分來說，這個(gè)類彈簧量子系統(tǒng)肯定是在拉伸、收縮的，展示出似乎存在時(shí)間順序的變化。至關(guān)重要的是，當(dāng)這個(gè)裝置擴(kuò)大時(shí)，相關(guān)效應(yīng)仍然成立，這意味著糾纏現(xiàn)象產(chǎn)生的時(shí)間錯(cuò)覺即便在更大尺度的經(jīng)典物理領(lǐng)域也仍然可能存在。

維魯奇說：“從這個(gè)模型出發(fā)，你可以推導(dǎo)出一切我們知道切實(shí)有效的運(yùn)動(dòng)方程。”換句話說，佩奇-伍特斯機(jī)制的根本前提似乎的確是成立的。

不過，在根本上，佩奇-伍特斯機(jī)制還是留下了很多有待解答的問題。

其中，最基礎(chǔ)的是，佩奇和伍特斯從來沒有真正明確他們所說的“鐘”到底應(yīng)該是什么，也沒有說明它是否同我們在日常生活中司空見慣的物理鐘有什么相似之處。

另外，他們也沒有充分解釋我們熟悉的時(shí)間體驗(yàn)是怎么從這張量子糾纏網(wǎng)絡(luò)中誕生的。

另外，糾纏通常是一種非常脆弱的聯(lián)系，那么如果我們持續(xù)不斷地同佩奇-伍特斯宇宙中的內(nèi)置時(shí)鐘糾纏在一起，為什么時(shí)間的流逝這么順暢？我們的觀測竟然從未對這種糾纏狀態(tài)產(chǎn)生干擾？

量子時(shí)鐘是怎么工作的？

幾十年來，佩奇-伍特斯機(jī)制深深地扎根在理論和思想實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，缺少實(shí)證。不過，現(xiàn)在，越來越多的研究把這個(gè)想法拽入實(shí)驗(yàn)室，提出了不少可以檢驗(yàn)的問題。這股浪潮的一部分推動(dòng)力來自一個(gè)意想不到的方面：量子技術(shù)。在過去十年中，量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器和其他設(shè)備都已經(jīng)成熟起來，跨越了概念驗(yàn)證階段，進(jìn)入了一個(gè)依賴更精細(xì)控制的時(shí)期。

對這些量子技術(shù)的發(fā)展來說，技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。在物理學(xué)史的大部分時(shí)間中，時(shí)間總是理想當(dāng)然的。然而，在2017年，一支研究團(tuán)隊(duì)證明，計(jì)時(shí)的成本雖然小但真實(shí)存在。

他們證實(shí)了，時(shí)鐘并不真的是直尺那樣的被動(dòng)測量設(shè)備，反而更像發(fā)動(dòng)機(jī)——從某種意義上說，計(jì)時(shí)需要做功并產(chǎn)生熱量。在經(jīng)典設(shè)定中，這些熱量小到可以忽略不計(jì)，但在量子領(lǐng)域，即使是最微小的熱量也足以讓時(shí)鐘停止計(jì)時(shí)。

奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的馬庫斯·休伯爾（Marcus Huber）與阿瑞斯合作研究了時(shí)鐘被推向量子極限時(shí)會發(fā)生什么。休伯爾說：“我們努力把注意力全部放在時(shí)鐘本身上，它需要什么樣的資源才能運(yùn)轉(zhuǎn)，局限又在哪里？”

時(shí)鐘并不一定就是兩根互相繞轉(zhuǎn)的指針。在歷史上，中國就采用過燒香計(jì)時(shí)的方式

理解量子時(shí)鐘的運(yùn)作機(jī)制有助于我們拓寬對時(shí)鐘的認(rèn)識。時(shí)鐘并不一定需要指針或齒輪。原則上說，你也完全可以通過咖啡冷卻的速度以及臉上的皺紋來判斷時(shí)間。

休伯爾說：“從根本上說，時(shí)鐘是一種產(chǎn)生不可逆事件的設(shè)備，而且這些事件可以記錄在寄存器中。”而不可逆事件會讓熵增加，這就是為什么時(shí)鐘——即使是再小的時(shí)鐘——也會釋放熱量。不過，這同樣也意味著你可以通過研究時(shí)鐘產(chǎn)生了多少熵來判斷它計(jì)了多少時(shí)。

實(shí)際上，在過去幾年里，休伯爾和他的合作者們就是在做這件事，用的是我們能想到的最簡易的時(shí)鐘，僅由幾個(gè)原子構(gòu)成。

2021年，他們描述了時(shí)鐘精度與其產(chǎn)生的熵的量之間的換算關(guān)系。總的來說，時(shí)鐘走得越頻繁，它產(chǎn)生的熵就越多。一個(gè)把一分鐘完美分成60份的時(shí)鐘產(chǎn)生的熵多于把一分鐘分成三份的。

2025年，他們還建造了一個(gè)利用隨機(jī)量子過程計(jì)時(shí)的鐘，它能做到在幾乎不產(chǎn)生熵的前提下運(yùn)轉(zhuǎn)。不過，即使是這樣，也還是有一個(gè)問題。從時(shí)鐘上讀出時(shí)間——從時(shí)鐘提取信息——也會產(chǎn)生熵。

這些實(shí)驗(yàn)并不僅僅是為了提升計(jì)時(shí)技術(shù)。休伯爾把它們看作探索更深層問題的工具。他說：“我們希望這種針對時(shí)鐘的操作性定義能幫助我們了解時(shí)間本身的性質(zhì)。”

其中就包括重新審視佩奇-伍特斯機(jī)制。休伯爾并不打算把佩奇-伍特斯提出的這個(gè)橫貫宇宙的糾纏時(shí)鐘純粹看作數(shù)學(xué)對象，而是看作一個(gè)與其他所有計(jì)時(shí)器一樣遵循相同規(guī)則的物理系統(tǒng)。如果能夠明確適用于所有類型時(shí)鐘的各種有關(guān)精度、熵和可逆性的規(guī)則，那么原則上這些規(guī)則也應(yīng)該適用于抽象的佩奇-伍特斯結(jié)構(gòu)。

有些物理學(xué)家把過去、現(xiàn)在和未來想象成一系列同時(shí)并排放置的靜態(tài)畫框

休伯爾的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正努力設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，他們使用處于糾纏狀態(tài)的量子系統(tǒng)（比如原子云）在實(shí)驗(yàn)室中模擬佩奇-伍特斯機(jī)制。然后，通過測量時(shí)鐘釋放的熵，他們就能觸及一些基本問題，比如：在這樣的量子系統(tǒng)中，時(shí)間究竟是平滑流逝的，還是像量子那樣離散流逝。

這就是休伯爾橫跨的兩個(gè)世界之間的碰撞：其中一個(gè)致力于拆解時(shí)鐘，另一個(gè)致力于探索時(shí)鐘記錄的時(shí)間本質(zhì)。他說：“兩個(gè)世界都有各自對時(shí)間的理解，而我認(rèn)為我們正在慢慢接觸一些兩個(gè)世界交叉部分的東西。沒錯(cuò)，我們現(xiàn)在可以好好研究時(shí)間的本質(zhì)了，令人激動(dòng)。”

當(dāng)然，推進(jìn)佩奇-伍特斯機(jī)制研究的不止休伯爾一人。利亞維茨和他的同事也在探索如何讓佩奇-伍特斯時(shí)鐘成真。利亞維茨說：“我們的起點(diǎn)是一個(gè)理論上成立的理想化時(shí)鐘，現(xiàn)在的目標(biāo)就是把它往現(xiàn)實(shí)的方向推進(jìn)。”2025年，利亞維茨研究了如何在不破壞精致糾纏狀態(tài)的前提下讀取佩奇-伍特斯時(shí)鐘。目前，他正在探索如何將許多不那么精確的時(shí)鐘（而非理想化時(shí)鐘）拼湊起來，給整個(gè)宇宙計(jì)時(shí)。

把黑洞用作宇宙的量子時(shí)鐘

與此同時(shí)，維魯奇認(rèn)為，她已經(jīng)在偶然間發(fā)現(xiàn)了大自然的終極時(shí)鐘。在此前同意大利國家研究委員會亞歷桑德羅·科波（Alessandro Coppo）的合作中，維魯奇檢視了理想化佩奇-伍特斯時(shí)鐘的條件。她知道至少有3個(gè)條件是必需的：

1.足以追蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的能量；2.與外部環(huán)境隔絕，保證系統(tǒng)演化不會受到外界噪聲影響；3.同計(jì)時(shí)對象發(fā)生糾纏的能力。

維魯奇和科波在2026年剛提交的一篇論文中提出，自然界中就有事物滿足上述三個(gè)條件：黑洞。這類能量極高的天體周圍引力場極強(qiáng)，強(qiáng)到連光都無法逃脫黑洞視界，因此，黑洞似乎很難同外界發(fā)生相互作用。

不過，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在20世紀(jì)70年代證明，黑洞仍然可能同外部世界發(fā)生糾纏。假設(shè)黑洞視界處產(chǎn)生了一對糾纏的量子粒子，其中一個(gè)落入黑洞，另一個(gè)以輻射的形式逃逸出去。這樣一來，黑洞內(nèi)部就和外部聯(lián)系起來了，或許就可以充當(dāng)計(jì)時(shí)器。

維魯奇說：“黑洞簡直就是一個(gè)完美的時(shí)鐘，你不可能和它發(fā)生相互作用，但同時(shí)卻可以和它發(fā)生糾纏。”

那么，佩奇-伍特斯機(jī)制中負(fù)責(zé)時(shí)鐘的那部分有沒有可能就是黑洞？這個(gè)想法很大膽，但維魯奇希望有一天能夠真正檢驗(yàn)它。

從原理上說，從研究量子時(shí)鐘那兒得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┮粋€(gè)切入點(diǎn)。假如黑洞真的能成為幾乎完全理想的時(shí)鐘，那么它會和量子時(shí)鐘一樣，計(jì)時(shí)過程會在熱力學(xué)領(lǐng)域以及它釋放的輻射熵中留下印記，也就是在量子關(guān)聯(lián)的傳播方式以及信息的受干擾方式中呈現(xiàn)。

這也是維魯奇和科波下一步的計(jì)劃：分析他們構(gòu)建的黑洞模型的熱力學(xué)狀態(tài)，并且尋找同量子時(shí)鐘中看到的動(dòng)力學(xué)熵類似的等價(jià)物。

在維魯奇看來，上面提到的一切進(jìn)展都強(qiáng)化了“時(shí)間并不基本，而是涌現(xiàn)出來的現(xiàn)象”的觀點(diǎn)，并且還讓她提出了一個(gè)更深邃的想法。許多物理學(xué)家猜測，熱力學(xué)第二定律與時(shí)間的流動(dòng)有關(guān)，畢竟它們都有不可逆的性質(zhì)——總是傾向于從有序走向混亂。不過，雖然熱力學(xué)第二定律稱，宇宙的熵并不會減少，但也從來沒有禁止宇宙熵保持為常數(shù)。因此，熱力學(xué)第二定律仍舊無法解釋時(shí)間為什么會流動(dòng)。

然而，維魯奇指出，自然的確有一個(gè)真正無法逆轉(zhuǎn)的方面。在被測量之前，量子粒子存在于一大團(tuán)由各種可能的結(jié)果構(gòu)成的模糊之中。只有在被測量之后，量子粒子才會從這團(tuán)可能性云中坍縮成一個(gè)確定的值。沒人知道這種坍縮過程究竟是怎么發(fā)生的，但有一點(diǎn)可以肯定：坍縮一旦發(fā)生便不可逆。

維魯奇現(xiàn)在猜測，這就是時(shí)間運(yùn)作機(jī)制的關(guān)鍵。她說，時(shí)間之箭或許僅僅只是記錄了哪些事物被測量了。我們通過與現(xiàn)實(shí)元素的相互作用——或者用物理學(xué)家的話來說，通過“測量”——知曉了各種事件的時(shí)間順序，就像翻閱一本宇宙之書一樣。我們存在于這個(gè)世界上，光是這一點(diǎn)就讓量子現(xiàn)實(shí)坍縮成一個(gè)確定的狀態(tài)，留下不可逆轉(zhuǎn)的記錄。

維魯奇還說，如果時(shí)鐘是記錄測量結(jié)果的物理系統(tǒng)——而且，我們也是這樣的系統(tǒng)——那么，我們或許不僅是觀測了時(shí)間，更是參與了時(shí)間的形成：“當(dāng)你詢問時(shí)間是什么的時(shí)候，就在創(chuàng)造時(shí)間。”

資料來源：

《世界科學(xué)》雜志版在售中 歡迎訂閱

月刊定價(jià)

15元/期

全年訂閱價(jià)

180元

點(diǎn)擊左側(cè)圖片或以下方訂閱方式選購

方式一：

掃描二維碼，“雜志鋪”訂閱有折扣～

方式二：

全國各地郵局訂閱 郵發(fā)代號：4-263

方式三：

機(jī)構(gòu)訂閱，請撥打

021-53300839；

021-53300838