时间真的存在吗？

我们理所当然地认为时间是真实的。但如果这只是一种幻觉，而且是相对的幻觉呢？时间真的存在吗？

光锥的一个例子，所有可能到达和离开时空中一点的光线的三维表面。你穿越空间越多，穿越时间越少，反之亦然。只有包含在你过去光锥中的事物才能影响你今天；只有包含在你未来光锥内的事物才能被你未来所感知。

如果你想精确地描述某事发生的时间和地点，你需要四个坐标:三个空间坐标和一个时间坐标，即时间。

爱因斯坦告诉我们，对于每个观察者来说，时间都是相对的，没有“绝对时间”这种东西。有些人走得更远，声称时间只是一个持久的幻觉。能证明时间根本不存在吗？

从哲学的角度来说，我们被教导要怀疑和质疑一切。甚至我们自己的现实和我们自己的经历也是有争议的，因为为了得出任何令人满意的结论，我们必须对我们的传感器——以及我们自己的感官——的可信度做出某些假设。当然，某些事情可能看起来是真实的，但这些表象有可能是欺骗性的，我们认为理所当然的数量或概念可能只不过是非常令人信服的幻觉。

然而，从物理、科学的角度来看，这类问题有着不同的含义。我们从对时间的研究中学到了许多令人惊讶和违反直觉的经验。时间是相对的，不是绝对的。时间总是向前行进，而不是向后，但我们仍然缺乏对时间之间的解释。在热力学上，宇宙有一个时间箭头，它与熵增加的方向相同。当我们在基本层面上研究宇宙时，事实证明时间可能根本不是基本的。

但是存在本身呢？很难把这种属性从时间中抽走，却仍然得到一个与我们观察到的一致的宇宙。原因如下。

这个来自结构形成模拟的片段，随着宇宙的扩大，代表了在富含暗物质的宇宙中数十亿年的引力增长。请注意，在细丝交叉处形成的细丝和丰富的星团主要是由暗物质引起的；正常物质只起很小的作用。然而，无论人类或任何其他生命形式是否存在，宇宙的存在仍然需要时间。

当谈到存在的问题时，物理学对于它认为是令人满意的答案是非常简单和直接的。

• 你能测量它吗？
• 能量化一下吗？
• 你能用数学上自洽的方式定义它吗？
• 它本身是一个可观测的力量吗？其他可观测的力量是否以一种不可分割的方式依赖于它？

如果你对这些问题的答案都是肯定的，那就没有办法了:你已经得到了一个存在的力量。

原因很简单:就现实而言，“真实的”是那些本身可测量、可观察、可量化且非病态的事物。用外行人的话来说，病态就是当你向宇宙提出一个合理的问题，而你得到的却是不一致的废话。有很多问题确实会产生病理行为，在这些情况下，病理向我们表明，我们还有进一步的工作要做。"在黑洞的中心奇点会发生什么？""在小于普朗克长度的长度尺度上，量子涨落会发生什么？"“当一个质量穿越被质量本身扭曲的时空时会发生什么？”目前，这些问题就像被零除一样病态。

即使对于像巨大的旋转黑洞(克尔黑洞)这样的复杂实体，一旦你穿过(外部)事件视界，不管你由什么类型的物质或辐射组成，你都会向中心奇点坠落，并增加黑洞的质量。然而，目前的物理学无法很好地描述中心点发生的事情，因为它的行为是病态的。

那么，你可能会想，也许时间本身就是病态的。当然，我们可以测量它，量化它，甚至观察它的消失和它消逝的后果。但是，你对事件开始和结束之间“过去了多长时间”的测量完全取决于你在哪里以及你在做这些观察时是如何移动的，这难道不重要吗？

例如，如果你在一辆行驶的火车上，你从火车的一端向另一端发射一束光波，你将得到光到达火车远端所需时间的值。然而，如果你在站台上，看着火车上的人把光线从一端射向另一端，你会得到不同的答案。

对于在行驶中的火车上的人，他们会测量一定量的时间让光传播到火车的远端。但是对于地面上的人来说，他们不仅会得到一个不同的、更长的答案，而且他们会得出结论，火车上的人(就此而言，一切事物)实际上比他们衰老得更慢。对静止的观察者来说，运动中的物体比静止的物体衰老得慢。

这幅光钟图展示了当你静止时(左图)，一个光子是如何以光速在两个镜子之间上下运动的。当你被助推(向右移动)时，光子也以光速移动，但在底部和顶部镜子之间振荡需要更长的时间。因此，相对于静止的物体，相对运动的物体时间会膨胀。

这是否自相矛盾？是病理性的吗？

一点也不。注意到时间是“相对的”并不意味着它是病态的。对于我们关于光从行驶中的火车的一端传播到另一端的问题，火车可能会停下来，“在地面上”和“在火车上”的观察者可能会再次相遇。他们两个的测量值会有所不同，但彼此之间会一直不同。当你计算一个观察者相对于另一个观察者经过了多少时间时，每个观察者不仅能够正确地预测他们自己的手表和时钟，还能正确地预测另一个观察者的手表和时钟。所需要的只是狭义相对论的知识。

是的，对于“过去了多少时间？”这个问题，你会得到不同的答案或者“这件事是什么时候发生的？”甚至是“哪个事件先发生的？”这取决于你在哪里，如何移动，但没有人比别人更“对”或“错”。相反，我们只需要改变我们对时间的概念——根据相对论——来匹配处于不同位置或以不同速度运动的人会得出的结论。

一个处于弹跳中期的球，它的过去和未来的轨迹都是由物理定律决定的，但时间只会为我们流向未来。

因此，“时间是相对的”这一概念不足以宣称时间不存在。但是有没有可能，也许我们只感知时间的存在，而事实上，它并不是真实的？

我们可以从一个特殊的角度来考虑这个问题:看看物理学中对称的概念。毕竟，至少就我们所知，物理定律是时间对称的。如果你看到一个球在重力的影响下下落，你不知道是否:

• 当重力将球从你现在看到的高处拉下时，你看到时间在向前跑，
• 或者你是否在看时间像一个球一样倒着跑，从一个较低的位置被向上抛，由于万有引力阻碍它的运动，它越升越高。

事实上，几乎所有的物理定律——包括运动、引力、电磁力，甚至强核力——都是完全时间可逆的。它们在时间上向前和向后是相同的，你不能仅仅通过观察一个物理系统的展开来辨别哪一个正在发生。

重的、不稳定的元素将放射性衰变，通常通过发射α粒子(氦核)或经历β衰变，如图所示，中子转化为质子、电子和反电子中微子。这两种类型的衰变都会改变元素的原子序数，产生不同于原始元素的新元素，并导致产物的质量低于反应物的质量。

但是有两种方法可以识别向前和向后的物理差异。第一种是通过弱核力进行的反应，如放射性衰变。

让我们想象一下，你有一个很重的原子核，充满了质子和中子。对于给定数量的质子，如果原子核中有大量的中子，那么原子核就有可能经历一种特定类型的放射性衰变:β衰变。β衰变是当原子核中的一个中子衰变为一个质子、一个电子和一个反电子中微子时发生的，它甚至发生在不属于任何更大原子核的自由(未束缚)中子上。

一个中子衰变为一个质子、一个电子和一个反电子中微子是经常发生的。但是它从一个质子、一个电子和一个反电子中微子自发反应形成一个中子。事实上，在许多方面，弱相互作用是物理学中时间不对称反应的典型代表。

当冰被放入液态水中时，冰将融化，水将降低其温度。完全融化的冰的最终状态，不仅比初始状态更接近热平衡，而且比初始状态提取的能量更少。

然而，第二种方式对我们大多数人来说更加熟悉。每次你:

• 炒一个鸡蛋，
• 把满满一杯水倒在地上，看着它碎掉，
• 或者简单地打开一个热房间和一个冷房间之间的门，

你正在创造一个情形，那里将会有一个热力学的时间箭头。

你可能以前听说过熵的概念，它经常被错误地定义为你的系统的“无序度”。但实际上，事情是这样的:任何物理系统内部都会有某种程度的能量梯度。如果你有一个未搅拌的鸡蛋，在蛋白(白色部分)和蛋黄之间有一个能量梯度；蛋黄周围的屏障是阻止东西均匀混合的原因。在一个未煮熟的鸡蛋中，如果你煮鸡蛋，会释放出化学势能，并形成新的化学键。玻璃结构中有势能，打碎它会释放出来。

但是也许，在所有的例子中，把一个热的房间和一个冷的房间放在一起是谈论熵的最聪明的方式。

这幅图展示了一个房间的两面:热的一面和冷的一面，在它们之间有一个恶魔能够打开和关闭它们之间的隔板。如果分隔器打开，气体就会混合。

如果你在房间的一边有大量的粒子，它们将会处于我们所说的热平衡。当它们相互反弹并相互作用时，热面的任何部分都不会被加热或冷却；热量从房间一部分流向另一部分没有能量梯度。(冷面具有完全相同的性质，除了热平衡发生在低得多的温度下。)

但是现在，如果你把房间热端和冷端的隔板拿掉会怎么样呢？会发生什么？

答案是热粒子和冷粒子将会混合，并产生一个中间温度的房间，在那里所有的粒子都达到相同的平衡温度。在达到平衡之前，可以从系统中提取能量；之后，就不能了。当我们谈论一个最大熵的状态时，我们谈论的是一个不能再提取能量的状态；最大熵系统不能做功，正如我们在物理学中所说的。

在左边初始条件下建立的系统，冷热房间分开，将使每个房间达到各自的热平衡。如果分隔两个房间的隔板打开，房间里的气体将混合，在这个过程中获得熵。

工作在物理上是真实的；熵在物理上是真实的；热力学在物理上是真实的。时间，作为一个可测量、可观察和可量化的量，与上述任何一个都没有什么不同。

然而，对于这个讨论有两个重要的警告。虽然时间是真实的，但记住以下事实很重要。

1. 我们不知道是什么导致了我们感知的时间箭头。我们总是观察时间向前而不是向后流动；我们认识到时间的流逝，并服从于在时间中前进的物理定律，就像所有的物理对象和力量一样。但是，无论你的系统的熵保持不变，缓慢增加，快速增加，甚至通过输入能量人为地减少，感知的时间箭头永远不会停止流动，也不会逆转方向。
2. 虽然时间确实存在，但它可能也可能不是基本的。在我们目前看待宇宙的方式中，我们将熵这样的东西视为派生的力量，并将时间视为基本的。然而，从数学上来说，可以把熵当作一个基本量，然后时间表现得好像它可以是一个突现量。我们对宇宙的了解还不足以对这种方法的潜在有效性发表评论。

当一个量子粒子接近一个障碍时，它将最频繁地与之发生相互作用。但是有一个有限的概率，不仅反射障碍，但隧道通过它。粒子的实际演化只由测量和观测决定，波函数解释只适用于不可测量的系统；一旦它的轨迹被确定，“过去”的行为完全是经典的。

尽管普遍倾向于质疑时间的本质，但它在物理上的“真实性”是毋庸置疑的。时间是宇宙不可分割的一部分，已经被观察到或测量到有明确结果的事件和那些结果尚未确定的事件之间的界限是我们必须定义的最佳方式，准确地说，我们所指的“现在”时刻是什么。作为受人尊敬的物理学家李·斯莫林在对他的独家采访中提到了这一点：

“在量子力学的哥本哈根版本中，有一个量子世界和一个经典世界，它们之间有一个边界:当事物变得确定时。当量子世界中不确定的事物变得确定时。他们想说的是，这是自然界中发生的最基本的事情，当不确定的事情变得确定时。这就是“现在”的含义。现在，现在，所有这些人说的科学和物理学中缺失的时刻，是从不确定到确定的过渡。”

时间可能是也可能不是基本的，我们感知的时间箭头可能是也可能不是(我的直觉是“不是”)与热力学的时间箭头有关。但是，我们可以测量、观察和量化它的事实，应该会消除对它不存在的任何怀疑。