为什么一些物理学家想要摆脱时间

当您阅读这句话时，您可能会认为此刻——就是现在——正在发生。当下这一刻感觉很特别。它是真实的。无论您多么回忆过去或期待未来，您都活在当下。当然，您阅读那句话的时刻已经不再发生。现在是这一刻。换句话说，感觉时间在流逝，因为当下在不断更新自身。我们有一种深刻的直觉，即未来是开放的，直到它变成现在，而过去是固定的。随着时间的流逝，这种固定过去、即时现在和开放未来的结构会随着时间向前推进。这种结构构建在我们的语言、思想和行为中。我们如何生活取决于它。

然而，尽管这种思维方式如此自然，您却不会在科学中找到它的反映。物理学方程式没有告诉我们哪些事件正在此刻发生——它们就像一张没有“你在这里”符号的地图。当下这一刻在其中并不存在，因此时间的流逝也不存在。此外，阿尔伯特·爱因斯坦的相对论不仅表明不存在单一的特殊现在，而且所有时刻都同样真实[参见保罗·戴维斯撰写的“神秘的流逝”]。从根本上说，未来并不比过去更开放。

科学对时间的理解与我们日常对时间的理解之间的差距一直困扰着历史上的思想家。随着物理学家逐渐剥离时间的大部分我们通常归因于它的属性，这种差距变得越来越大。现在，物理学的时间与经验的时间之间的裂痕正在达到其逻辑结论，因为理论物理学中的许多人开始相信，时间从根本上甚至不存在。

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无时间现实的想法最初是如此令人震惊，以至于很难理解它如何能够连贯。我们所做的一切，都是在时间中完成的。世界是由时间串联起来的一系列事件。任何人都可以看到我的头发正在变灰，物体在移动等等。我们看到变化，而变化是属性随时间的变化。没有时间，世界将完全静止。无时间理论面临着这样一个挑战：如果世界不是真的在变化，如何解释我们看到的变化。

最近的研究试图完成这一壮举。虽然时间可能在基本层面上不存在，但它可能会在更高的层面上出现——就像桌子感觉坚固，即使它是由主要由空隙组成的粒子群组成的一样。坚固性是粒子的集体或涌现属性。时间也可能是世界基本成分的涌现属性。

涌现时间的概念可能与一个世纪前的相对论和量子力学理论的发展一样具有革命性。爱因斯坦说，相对论发展的关键一步是他对时间的重新概念化。随着物理学家追求他统一相对论和量子力学的梦想，他们相信时间再次成为中心。2008年，基础问题研究所（FQXi）赞助了一场关于时间本质的征文比赛，现代物理学界的名人纷纷发表了自己的看法。许多人认为，统一理论将描述一个无时间的世界。另一些人则不愿意摆脱时间。他们唯一达成共识的是，如果不深入思考时间，统一的进展很可能是不可能的。

时间的兴衰

我们丰富常识性的时间概念在各个时代都遭受了一系列令人沮丧的贬低。时间在物理学中有很多工作要做，但随着物理学的进步，这些工作已被逐一外包。

起初可能不明显，但艾萨克·牛顿的运动定律要求时间具有许多特定特征。原则上，所有观察者都对事件发生的顺序达成一致。无论事件何时何地发生，经典物理学都假设您可以客观地说出它是在宇宙中任何其他事件之前、之后还是同时发生。因此，时间提供了世界上所有事件的完整排序。同时性是绝对的——一个与观察者无关的事实。此外，时间必须是连续的，以便我们可以定义速度和加速度。

经典时间还必须具有持续时间的概念——物理学家称之为度量——以便我们可以分辨事件在时间上彼此之间的距离。要说奥运短跑运动员尤塞恩·博尔特可以跑得像每小时27英里一样快，我们需要有一个小时的度量标准。与事件的顺序一样，持续时间与观察者无关。如果爱丽丝和鲍勃下午3点离开学校，各走各的路，然后在下午6点在家中再次相遇，那么爱丽丝经过的时间量等于鲍勃经过的时间量。

本质上，牛顿提出世界配备了一个主时钟。该时钟独特而客观地将世界划分为时间瞬间。牛顿物理学只听从这个时钟的滴答声，不听从其他时钟。牛顿还认为时间在流逝，这种流逝给了我们一个箭头，告诉我们哪个方向是未来，尽管他的定律并没有严格要求这些额外的特征。

牛顿的时间现在在我们看来可能已经过时了，但片刻的反思揭示了它是多么令人惊讶。它的许多特征——顺序、连续性、持续时间、同时性、流动和箭头——在逻辑上是可分离的，但它们都粘合在牛顿称为“时间”的主时钟中。这种特征组合非常成功，以至于它毫发无损地幸存了近两个世纪。

然后是19世纪末和20世纪初的冲击。第一个是奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼的工作，他推断，由于牛顿定律在时间上向前或向后都同样有效，因此时间没有内置的箭头。相反，他提出过去和未来之间的区别不是时间固有的，而是由宇宙中物质组织方式的不对称性引起的。尽管物理学家仍在争论这一提议的细节，但玻尔兹曼令人信服地剥夺了牛顿时间的一个特征。

爱因斯坦发起了下一次冲击，他摒弃了绝对同时性的概念。根据他的狭义相对论，同一时间发生的事件取决于您的速度。事件的真正舞台不是时间或空间，而是它们的结合：时空。以不同速度移动的两个观察者在事件发生的时间和地点上存在分歧，但他们对事件的时空位置达成一致。空间和时间是次要概念，正如曾是爱因斯坦大学教授的数学家赫尔曼·闵可夫斯基所宣称的那样，“注定要消逝为单纯的阴影。”

1915年，随着爱因斯坦的广义相对论的出现，情况变得更糟，广义相对论将狭义相对论扩展到引力起作用的情况。引力扭曲时间，因此这里的1秒钟的流逝可能与那里的1秒钟的流逝意义不同。即使在原则上，也只有在极少数情况下才有可能同步时钟并保持同步。您通常不能将世界视为根据单个时间参数逐滴展开。在极端情况下，世界可能根本无法划分为时间瞬间。那时就无法说一个事件发生在另一个事件之前或之后。

广义相对论包含许多带有英文单词“time”的函数：坐标时间、原时、全局时间。它们共同完成了牛顿单个时间所做的许多工作，但单独来看，它们似乎都不值得这个称号。要么物理学不听从这些时钟，要么，如果它听从了，那么这些时钟仅适用于宇宙的小部分或特定的观察者。尽管今天的物理学家担心统一理论将不得不消除时间，但一个有力的论点是，时间早在1915年就已经丢失了，而我们只是还没有完全理解它。

时间作为伟大的讲故事者

那么，时间有什么用呢？您可能会倾向于认为空间和时间之间的差异几乎消失了，并且相对论宇宙中事件的真正舞台是一个巨大的四维块。相对论似乎使时间空间化：将其变成块内仅仅一个方向。时空就像一条面包，您可以随意以不同的方式切割，称为“空间”或“时间”。

然而，即使在广义相对论中，时间也保留着一个独特而重要的功能：即在局部区分“类时”和“类空”方向。类时相关的事件是那些可能存在因果关系的事件。物体或信号可以从一个事件传递到另一个事件，从而影响发生的事情。类空相关的事件在因果上是不相关的。没有任何物体或信号可以从一个传递到另一个。从数学上讲，仅仅一个负号就区分了这两个方向，但这个负号却产生了巨大的影响。观察者在类空事件的顺序上存在分歧，但他们都同意类时事件的顺序。如果一个观察者认为一个事件可以导致另一个事件，那么所有观察者都会这样认为。

在我自己为2008年FQXi竞赛写的文章中，我探讨了时间的这一特征的含义。想象一下，从过去到未来切割时空；每个切片都是空间在某个时刻的3-D整体。所有这些类空相关事件的切片的总和是4-D时空。或者，想象一下从侧面看世界并相应地切割它。从这个角度来看，每个3-D切片都是类空相关（仅在两个维度上）和类时相关事件的奇怪混合物。这两种切割方法就像垂直或水平切割一条面包。

第一种方法是物理学家熟悉的，更不用说电影观众了。电影的帧代表时空的切片：它们显示了空间在连续时刻的状态。就像电影爱好者立即弄清情节并预测接下来会发生什么一样，物理学家可以获取单个完整的空间切片，并通过简单地应用物理定律来重建其他空间切片上发生的事情。

第二种切割方法没有简单的类比。它对应于不是从过去到未来而是从东到西切割时空。这样一个切片的例子可能是您房屋的北墙以及未来将在该墙上发生的事情。从这个切片开始，您应用物理定律来重建您房屋的其余部分（实际上是宇宙的其余部分）的样子。如果这听起来很奇怪，那应该是的。物理定律是否允许您这样做，这一点并不立即显而易见。但是，正如麦克马斯特大学的数学家沃尔特·克雷格和滑铁卢大学的哲学家史蒂文·温斯坦所表明的那样，至少在某些简单的情况下，您可以这样做。

尽管原则上两种切割方法都是可能的，但它们截然不同。在正常的、从过去到未来的切割中，您需要在切片上收集的数据相对容易获得。例如，您测量所有粒子的速度。一个位置的粒子的速度与另一位置的粒子的速度无关，这使得两者都易于测量。但在第二种方法中，粒子的属性不是独立的；它们必须以非常特定的方式设置，否则单个切片将不足以重建所有其他切片。您将不得不对粒子组进行极其困难的测量，以收集您需要的数据。更糟糕的是，只有在特殊情况下，例如克雷格和温斯坦发现的那种情况，这些测量才允许您重建完整的时空。

从非常精确的意义上讲，时间是时空中可以进行良好预测的方向——我们可以在其中讲述最informative故事的方向。宇宙的叙事不是在空间中展开的。它在时间中展开。

量子时间

现代物理学的最高目标之一是将广义相对论与量子力学统一起来，产生一个处理物质的引力和量子方面的单一理论——量子引力理论。其中一个绊脚石是量子力学要求时间具有与我迄今为止所说的相矛盾的属性。

量子力学说，物体具有比我们可能用经典量（如位置和速度）捕捉到的更丰富的行为库。物体的完整描述由一个称为量子态的数学函数给出。这种状态随时间连续演变。使用它，物理学家能够计算任何时刻任何实验结果的概率。如果我们让电子穿过一个会使其向上或向下偏转的设备，量子力学可能无法确定地告诉我们期望哪个结果。相反，量子态可能只会给我们结果的概率；例如，电子有25%的几率向上偏转，75%的几率向下偏转。用相同的量子态描述的两个系统可能会给出不同的结果。实验结果是概率性的。

该理论的概率预测要求时间具有某些特征。首先，时间使矛盾成为可能。掷出的骰子不能同时有5和3朝上。它只能在不同的时间这样做。与此特征相关的是，掷出六个数字中每个数字的概率必须加起来为100%；否则，概率的概念将毫无意义。概率在某个时间而不是某个地点相加。量子粒子具有给定位置或动量的概率也是如此。

其次，量子测量的时间顺序很重要。假设我让电子穿过一个设备，该设备首先沿垂直方向偏转它，然后沿水平方向偏转它。当它出现时，我测量它的角动量。我重复实验，这次先水平偏转电子，然后垂直偏转电子，并再次测量它的角动量。我得到的值将大相径庭。

第三，量子态提供了空间在某个时间瞬间的所有概率。如果该状态包含一对粒子，那么测量一个粒子会立即影响另一个粒子，无论它在哪里——从而导致爱因斯坦对量子力学感到如此困扰的臭名昭著的“幽灵般的超距作用”。困扰他的原因是，为了让粒子同时反应，宇宙必须有一个主时钟，而相对论明确禁止这样做。

尽管其中一些问题存在争议，但量子力学中的时间基本上是对牛顿力学中时间的回归。物理学家担心相对论中时间的缺失，但也许更糟糕的问题是时间在量子力学中的中心作用。这是统一如此困难的深层原因。

时间去哪儿了？

大量的研究计划试图调和广义相对论和量子力学：超弦理论、因果三角剖分理论、非交换几何等等。它们大致分为两类。认为量子力学提供了更坚实基础的物理学家，如超弦理论家，从一个完整的时间开始。那些认为广义相对论提供了更好起点的物理学家从一个时间已经被降级的理论开始，因此更愿意接受无时间现实的想法。

可以肯定的是，这两种方法之间的区别是模糊的。超弦理论家已经研究了无时间理论。为了传达时间造成的基本问题，我将重点关注第二种方法。这种策略的主要例子是圈量子引力[参见李·斯莫林撰写的“空间和时间的原子”]，它源于一个较早的称为规范量子引力的计划。

规范量子引力出现在20世纪50年代和60年代，当时物理学家以与电磁学方程相同的形式重写了爱因斯坦的引力方程，其想法是，用于发展电磁学量子理论的相同技术也可以应用于引力。当已故物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒和布莱斯·德威特在20世纪60年代后期尝试这种程序时，他们得出了一个非常奇怪的结果。这个方程（被称为惠勒-德威特方程）完全缺少时间变量。表示时间的符号t完全消失了。

由此，物理学家陷入了数十年的惊慌失措。时间怎么会就此消失呢？事后看来，这个结果并不完全令人惊讶。正如我之前提到的，即使在物理学家试图将其与量子力学结合之前，时间也几乎已经从广义相对论中消失了。

如果您从字面上理解这个结果，那么时间并不真的存在。法国艾克斯-马赛大学的卡洛·罗韦利是圈量子引力的创始人之一，他将他的FQXi文章命名为“忘记时间”。他和英国物理学家朱利安·巴伯是这个想法最著名的支持者。他们试图以无时间的方式重写量子力学，正如相对论似乎要求的那样。

他们认为这种操作是可能的原因是，尽管广义相对论缺乏全局时间，但它仍然能够描述变化。本质上，它通过将物理系统直接相互关联，而不是与某些抽象的全局时间概念相关联来实现这一点。在爱因斯坦的思想实验中，观察者通过使用光信号比较时钟来确定事件的时间。我们可以用我厨房里时钟的滴答声来描述卫星绕地球位置的变化，反之亦然。我们正在做的是描述两个物理物体之间的相关性，减去任何作为中介的全局时间。我们可以将我的头发颜色描述为随卫星轨道变化，而不是说我的头发颜色随时间变化。我们可以用冰川的变化来描述棒球以每秒每秒10米的速度加速，而不是说棒球以每秒每秒10米的速度加速。等等。时间变得多余。变化可以在没有时间的情况下描述。

这个庞大的相关性网络组织得井井有条，因此我们可以定义一个称为“时间”的东西，并将一切都与之关联起来，从而减轻了我们跟踪所有这些直接关系的负担。物理学家能够用在时间中发挥作用的物理定律来简洁地总结宇宙的运作方式。然而，这个便利的事实不应欺骗我们认为时间是世界基本组成部分。金钱也比每次想买咖啡时都要协商易货交易要容易得多，尽管金钱是我们重视事物的发明占位符，而不是我们本身就重视的东西。同样，时间允许我们将物理系统相互关联，而无需试图弄清楚冰川与棒球的确切关系。但是，它也可能是一种方便的虚构，它在自然世界中的根本存在性不超过金钱。

摆脱时间具有吸引力，但会造成相当大的附带损害。首先，它要求彻底重新思考量子力学。考虑著名的薛定谔的猫的案例。猫悬而未决，生死攸关，它的命运取决于量子粒子的状态。在通常的思维方式中，猫在测量或发生某些等效过程后会变成其中之一。然而，罗韦利会认为，猫的状态永远不会解决。可怜的东西可能相对于自身是死的，相对于房间里的人是活的，相对于房间外面的第二个人是死的等等。

让猫的死亡时间取决于观察者是一回事，正如狭义相对论所做的那样。让它是否发生都具有相对性，正如罗韦利所建议的那样，尽可能地遵循相对论的精神，这更令人惊讶。由于时间是如此基本，因此废除时间将改变物理学家的世界观。

时间的恢复

即使世界从根本上是无时间的，但它似乎确实有时间。对于任何拥护无时间量子引力的人来说，一个紧迫的问题是解释为什么世界看起来是时间性的。广义相对论也缺乏牛顿时间，但至少它有各种部分替代品，当引力较弱且相对速度较低时，这些替代品共同表现得像牛顿时间。惠勒-德威特方程甚至缺乏这些替代品。巴伯和罗韦利都为时间（或至少是时间的幻觉）如何从虚无中涌现出来提供了建议。但是规范量子引力已经提供了一个更成熟的想法。

被称为半经典时间，它可以追溯到英国物理学家内维尔·F·莫特1931年发表的一篇论文，该论文描述了氦核与较大原子之间的碰撞。为了模拟整个系统，莫特应用了一个缺少时间的方程，该方程通常仅适用于静态系统。然后，他将系统分为两个子系统，并使用氦核作为原子的“时钟”。值得注意的是，相对于原子核，原子遵循量子力学的标准时间相关方程。空间函数起着时间的作用。因此，即使整个系统是无时间的，各个部分也不是。隐藏在整个系统的无时间方程中的是子系统的时间。

正如德国科隆大学的克劳斯·基弗在加州大学圣克鲁兹分校的托马斯·班克斯等人的基础上，在他的FQXi文章中论证的那样，量子引力的情况也大致相同。宇宙可能是无时间的，但如果您想象将它分解成碎片，那么某些碎片可以充当其他碎片的时钟。时间从无时间性中涌现出来。我们感知时间是因为我们本质上就是那些碎片之一。

尽管这个想法既有趣又令人震惊，但它仍然让我们感到不足。宇宙并非总是可以分解成可以充当时钟的碎片，在这种情况下，该理论无法做出概率预测。处理这些情况将需要完整的量子引力理论和对时间的更深入的重新思考。

从历史上看，物理学家最初从高度结构化的经验时间开始，即固定过去、现在和开放未来的时间。他们逐渐拆除了这种结构，几乎没有剩余。研究人员现在必须扭转这种思路，并从非基本物理学的时间中重建经验时间，而经验时间本身可能需要从基本静态世界的碎片之间的相关性网络中重建。

法国哲学家莫里斯·梅洛-庞蒂认为，时间本身并没有真正流动，其明显的流动是我们“偷偷地在河流中放入了一个见证者”。也就是说，相信时间流逝的倾向是由于忘记将我们自己以及我们与世界的联系纳入图景的结果。梅洛-庞蒂谈论的是我们对时间的主观体验，直到最近，才有人猜测客观时间本身可以解释为这些联系的结果。时间可能仅仅通过将世界分解为子系统并观察将它们联系在一起的东西而存在。在这种图景中，物理时间是通过我们认为自己与一切事物分离而出现的。