在我们的直觉认知里,时间似乎是一种独立存在的抽象概念。它始终朝着一个方向,平稳地从过去流向未来。
不知你是否思索过,为何时间只能单向前行,而无法倒流?又为何我们只能忆起过去,而非预知未来?究竟是我们身处时间的框架之中,还是时间其实存在于我们自身之内呢?
今天的内容将引领我们深入探索时间的本质,彻底颠覆我们对时间的固有认知。
第一部分:
从宏观与微观角度重审时间
让我们重新审视时间去探寻世界的真相,先从宏观角度来看。
在我们的印象里,时间给人最直观的感受便是具备独立性、统一性、当下性和方向性这四个特征。然而,最新物理学研究成果却对这些观点发起了挑战。
牛顿时间观的挑战与反驳
我们先探讨时间的独立性。
一直以来,人们普遍觉得时间是独立运行的,仿佛没有任何力量能够阻碍它。这一观点最早源自牛顿。牛顿认为,时间是绝对独立的,与外界事物毫无关联。他以这样的时间观为基石,构建起现代物理学体系。时至今日,我们早已将此观点当作理所当然的常识。
但实际上,“时间独立运行且不可阻挡”仅仅是牛顿个人的看法,并非人类自古以来就有的直觉认知。不少哲学家对此持有反对意见,古希腊哲学家亚里士多德便是典型代表。他在近两千年前就率先提出“时间是什么”这个问题。
比亚里士多德认为,时间是对变化的度量。也就是说,当我们谈及时间,实际上说的都是发生变化的事物。例如,我说我要出差三天,这里的“三天”指的是从离开家到回来这段时间里,太阳会在天空循环三次。
如此,简单理解,如果一切都静止不变,时间会停止流逝吗?
亚里士多德的答案是肯定的。他认为,如果一切都毫无变化,那么时间便不存在,因为时间仅仅是对变化的记录。
可有人会问,为什么即便在漆黑的深夜,我们闭上眼睛一动不动,仍能在寂静中感受到时间的流逝呢?
这是因为即便身体静止,你的内心却在活动,心里的想法在不断改变,所以依旧能察觉到时间的存在。
这种认为时间必须依托于变化而存在的观点,与牛顿的观点截然不同。
与牛顿同时期的德国数学家莱布尼茨同样反对牛顿的观点。莱布尼茨也认为时间无法独立存在,在时间背后存在一个更为根本的因素,那就是因果关系。
比如桌子上放着一杯啤酒,这其中就蕴含着大量因果关系:
如果不打开啤酒瓶盖,酒就无法倒出来;
如果不把酒倒出来,杯子就不会装满啤酒。
所以,通过梳理这些因果关系,我们就能明晰事件发展的时间顺序。
在莱布尼茨看来,时间就如同多米诺骨牌,是因果关系依次传递的过程。第一张牌倒下,作用于第二张牌,第二张牌又影响第三张牌,依此类推。我们正是在感受这种因果关系的传递过程中,体会到时间的流逝。
莱布尼茨对自己的这一世界观坚信不疑。据说,在牛顿物理学体系中,字母“t”常被用来代表时间(time),而莱布尼茨坚信牛顿所谓的绝对时间“t”并不存在,为了坚守自己的信仰,他甚至把自己名字里原本含有的字母“t”去掉了。
打破时间独立性
那么,时间究竟是否独立存在呢?
爱因斯坦给出了最终定论:时间并非独立存在。
下面我们一同看看爱因斯坦是如何论证这一点的。
首先,爱因斯坦确立了光速不变原理,即对于任何观察者而言,光速都是恒定不变的。无论你是静止不动,还是乘坐宇宙飞船高速飞行,所观测到的光速始终一致。
从狭义相对论角度来讲,超越光速是不被允许的,这在一定程度上支持了莱布尼茨的观点(时间因果关系论)。为何这么说呢?
不妨设想一下,倘若对面有人以超光速用手机给你发送信息,那么你可能在还没看到对方掏出手机时,就已经收到了信息。如此一来,便出现了问题:因果关系遭到了破坏。
一旦超光速现象被允许,各种荒谬的场景就会接踵而至,比如我们可能会看到玻璃杯在掉落地面之前就已然破碎,看到死者在凶手开枪之前就已死亡等等。
正因如此,爱因斯坦的狭义相对论明确了光速不变原理。正是基于这一设定,世界上所有的因果关系得以维持正常秩序,不会发生颠倒,从而从侧面印证了莱布尼茨的世界观。
其次,爱因斯坦提出了全新的时空观。
前面提到光速恒定且有限,而宇宙空间广袤无垠,光从一个地方传播到另一个地方需要耗费时间,并且距离越远,所需时间差就越大。由此可见,时间与空间紧密相连、不可分割。
一个很直观的例子就是我们在测量宇宙空间时,常使用以时间概念作为距离单位的光年。
光年,是天文学中常用的距离单位,指光在真空中一年时间所走的距离。光速约30万公里每秒,1光年约9.46万亿公里。
因此,光年并非是时间单位,而是距离单位,表示光走一年的路程。
这其中便隐含了时间与空间的不可分割性。于是,我们将时间和空间统一视为一个整体,称之为“时空”。
爱因斯坦不仅把时间和空间进行了合并,还将引力也融入其中。
例如,太阳的引力使得地球围绕其做公转运动,实际上,这是由于太阳巨大的质量弯曲了周围的空间,地球只是顺着这弯曲的空间进行滑行。
这种空间的弯曲就等同于引力场,而空间和时间本就是一体的两面,所以时空即引力场,引力场也就是时空场,它是一种实实在在的物理实体。
引力场如同电磁场一样,虽然看不见摸不着,但绝不是超脱于物质之外的。因此,时空与事物的变化息息相关,处于动态变化之中。
打个比方,在牛顿的观念里,时间就像一个固定不变的舞台,宇宙中的生命与物质如同舞台上的演员,无论演员如何表演,时间这个舞台始终保持静止。
因为牛顿认为存在一种“绝对真实”的时间,像一条匀速流动的河。这条河的流速与外界无关,无论宇宙发生什么,时间都“滴答”同一节奏。而空间则是一个固定的大容器,像无限延伸的透明玻璃箱。星球在箱子里运动,但箱子本身纹丝不动。
然而,在爱因斯坦的时间观中,舞台并非一成不变,而是与演员一同参与表演,并且舞台的状态会随着演员的表现而发生变化(看视频理解)。
至此,时间的绝对独立性被彻底打破。
打破时间统一性
那么,这个时间的“舞台”究竟是如何“表演”的呢?这就涉及到时间的第二个特征——统一性。
通常人们认为,时间具有统一性,意味着时间对所有人都是平等的,全世界的人所感受到的时间流速是匀速且统一的。
然而,事实并非如此,时间其实并非公平的,它的真实状态是流速忽快忽慢。
影响时间快慢的因素主要有两个:质量和速度。
①质量
物体会使周围的时间变慢,而且质量越大,时间变慢的效果就越显著。
这是因为大质量物体的引力能够扭曲周围的时空。质量越大,扭曲程度就越厉害。
以地球为例,它是一个巨大的物体,越是靠近地球中心的位置,时间流逝就越缓慢。所以,住在平原的人相较于住在山顶的人,衰老速度会更慢一些。即便海拔差距仅有几厘米,这种奇妙的效应依然存在,也就是说,人脚部的细胞衰老速度要比头部的细胞更慢。
②速度
运动同样会使时间变慢。
比如,高铁上的时间流逝速度就比自行车上的慢,速度越快,时间越慢。
这是为什么呢?
我们通过一个实验来说明。
假设有一台理想时钟叫光子钟,装置极其简单,由两面完美平行的镜子面对面放置,中间保持固定距离。两面镜子都是理想的绝对反射镜,表面完全光滑,不会吸收或散射任何光线。
在两面镜子之间,有一个单独的光子(光的最小单位)被囚禁其中。这个光子以恒定的光速在两面镜子之间来回反弹,就像一颗永远弹跳不止的超高速乒乓球。
当光子碰到上方的镜子时,它会立即原路折返;碰到下方的镜子时,也同样立即反弹。光子的运动轨迹严格垂直于镜面,形成一条笔直的往返路径。每次完整的上下往返,就标志着这个光子钟完成了一个"滴答"的时间单位。我们则通过记录光子的往返次数来测量时间。
在地面上,假设两面镜子相距一米,那么光子在镜子之间大约要完成15亿个来回才等同于一秒。现在,把这台光子钟放置在高速行驶的宇宙飞船上,会出现什么情况呢?
在飞船内的人看来,光子钟中的光子依然是垂直上下运动;
但对于飞船外的人而言,看到的情形就截然不同了。
光子本身在做上下运动,而飞船又在向前运动,两者叠加后,看到的光子就是在做斜线运动。也就是说,在飞船外的人眼中,光子的运动距离变长了。由于光速是恒定不变的,运动距离变长,那么光子往返一次所需的时间也就变长了。
所以,在飞船外的人看来,飞船上的时间变慢了,一切都如同慢动作播放。飞船上的人打一个喷嚏,在他自己感觉只需要一秒钟,但在飞船外的人眼中,他仿佛花了一分钟才打完这个喷嚏。
由此我们可知,时间的流速会受到质量和速度的影响,身处不同海拔、不同交通工具上的人,实际上经历着不同的时间。
那么,究竟哪一种时间才算是真实的时间呢?
实际上存在着众多不同的时间,并不存在某一个时间比其他时间更为真实的情况。这一观点进一步深化了我们对时间的认识,彻底颠覆了时间所具有统一性这一传统认知。
它让我们明白,时间并非以一种统一、恒定的模式存在,而是在质量与速度等因素的影响下,呈现出多样化的流速状态,每一种时间状态都具有其独特性,并无所谓绝对的“真实时间”。
时间当下性的局限与边界
倘若两人所经历的时间并非统一,那么身处不同时间的他们该如何进行交流对话呢?接下来,我们探究时间的第三个特征——当下性。
在时间的概念里,“现在”是个关键要素。
假设家人在房间内,你若想知晓他此刻在做什么,只需看一眼便知。
然而需要留意的是,你之所以能看到家人,是因为接收到了从家人身上传递到你眼中的光线。
光传播到你这里是需要花费时间的,比如短短几纳秒(即一秒的十亿分之几的时间),所以严格来讲,你看到的并非是他当下的行为,而是几纳秒之前的举动。由于这段时间极为短暂,我们日常通常忽略不计。
但倘若家人住在距离地球四光年之遥的比邻星上,情况就大不相同了。此时你所看到的,只能是他四年前所做之事,并非他当下的状态。
或许你会觉得,四年之后看到他正在做的事,不就等同于他当下所做的吗?但这种想法并不成立。
正如前文所述,宇宙中的时间并不具备统一性。
在地球上经过四年,而在比邻星家人所处的时间里,或许已然过去了十年甚至十五年。而且,询问比邻星上的某个时刻与地球上的哪个时刻相对应,其实并无意义,就如同询问哪支球队赢得了篮球比赛冠军与哪个人当选美国总统一样,二者毫无关联。
在比邻星上,并不存在与地球上的“当下”相对应的某个特定时刻。实际上,整个宇宙都不存在一个统一的“当下”,时间概念仅具有局部性。
我们在地球上所说的“现在”“当下”,就如同围绕在我们周围的一个气泡,始终只是我们主观认知中的当下,无法延伸至整个宇宙。
那么这个“气泡”究竟能延伸多远呢?
这取决于我们对时间限定的精确程度。精度越高,“气泡”越小,“现在”这一概念所覆盖的范围也就越窄。
例如,
若以微秒为精度,“现在”的定义范围仅有几米;
若以毫秒为精度,范围则可达几千公里。
由于人类很难分辨出几毫秒的时间差别,所以我们习惯将整个地球视为同一个“气泡”。
由此可见,“现在”这个定义,其实是我们依据自身感受所做出的一种模糊描述,恰似远远望去彩虹与森林似乎有交汇点,但当我们走近探寻时,却发现那个交汇点并不存在。
时间方向性:
从物理规律下到人类视角
实际上,对于我们的日常生活而言,时间的上述特征并非影响最为深远的。时间最让我们深感残酷无情的,是它的第四个特征——方向性。
数个世纪以来,无数人都在感慨时间一去不复返。那么,时间为何能区分过去与未来呢?整个20世纪,物理学界都在探讨这一问题。
尽管我们觉得时间从过去流向未来是理所当然之事,但在物理学领域,要找到一个定律或方程来明确区分过去和未来,几乎是一项不可能完成的任务。
无论是牛顿力学、麦克斯韦的电磁学、爱因斯坦的相对论,还是海森堡与薛定谔的量子力学,这些理论所描述的物理现象在本质上都是可逆的。这意味着,若一件事情能够正向发生,那么从理论上来说,它也同样能够逆向发生。
例如,对于一个星球,我们既可以计算出它未来的位置与速度,也能够反向推算出它过去的位置与速度。既然正反两个方向都行得通,那我们又凭什么认定一个方向代表过去,另一个方向就代表未来呢?
在众多物理定律中,唯有热力学第二定律是不可逆的。
该定律表明,热量只能自发地从高温物体传递到低温物体,而无法反向传递。
这是物理学中唯一一条具有单向不可逆性的定律,并且热量与时间的方向性紧密相关。凡是那些能够体现过去和未来差别的现象,几乎都有热量参与其中。
比如,一块石头从高处落下,撞击地面时,其机械能(动能和势能)部分转化为热能,导致石头和地面略微升温。随后,这些热量通过热传导、辐射等方式散失到周围环境中,石头最终停止运动。
倘若没有热量参与(即没有机械能转化为热能),依据能量守恒定律,石头将会永远反弹下去,不会停止。
生命活动会产生热量,电脑运行会产生热量,自行车因摩擦而变旧也伴随着热量产生,甚至我们用大脑思考问题时,大脑中同样会产生热量。只要观察时间流逝所伴随的现象,总能发现热量的踪迹。
热量是所有物理变量中唯一与不可逆现象相关的变量,在某种程度上,它充当了时间方向性的标识。
那么,热量究竟是如何区分过去和未来的呢?
设想一下,如果宇宙初始就处于热平衡状态,即各个地方温度均匀一致,宇宙不再有变化,那么时间的流动是否就不存在了呢?
答案或许要从我们自身寻找。原因在于,我们对世界的观察是模糊且不全面的。
举个例子,假设有一副牌,前26张全是红色,后26张全是黑色,我们会认为这种排列是有序且特殊的。现在对这副牌洗牌,洗完后若花色顺序呈现草花、方块、黑桃、红桃依次排列,这是否又是另一种有序呢?
实际上,当我们观察牌的所有细节时会发现,每一种排列都是独特且特殊的,都可以被视为一种有序状态。我们对宇宙的认知亦是如此。
宇宙宛如一副牌,巨大无比的扑克牌,而我们的星球不过是宇宙中微不足道的一粒尘埃,仅能感知宇宙中极少一部分的相互作用。
因此,我们无法洞悉宇宙这副“扑克牌”所有的排列组合,只能像盲人摸象般看到其中一小部分,而忽略了绝大部分。基于此,我们便认定时间必定是从过去走向未来,并由此感受到时间的流动。
然而,如果我们将宇宙的所有细节都纳入考量,就会发现没有哪种排列是更为有趣或特殊的。
如此一来,时间流动的特征是否会消失呢?
答案是肯定的。也就是说,时间并非必然只能从过去流向未来。
若全面考虑宇宙的所有细节,那么宇宙的任何一种排列都可被看作是一种秩序,过去与未来的区别也就随之消失了。所以,时间的流动或许并非宇宙的固有特征,而仅仅源于从人类独特的观察视角。
遇到很多人都有这种关于时间流动的困惑,在这里再掰碎掰碎。
如果把宇宙比作一副巨大的扑克牌,那么它的所有可能排列方式(即所有可能的物理状态)都是平等的。我们人类只能观测到宇宙的极小一部分(就像盲人摸象),因此我们只能看到局部的变化,并误以为时间有方向。
所以,为什么我们会觉得时间从过去流向未来?因为我们无法感知宇宙的全部信息,我们只能看到局部的熵增(即事物从有序向无序演变)。例如,杯子摔碎、冰块融化、记忆只能记住过去而非未来,这些现象让我们觉得时间有方向。但实际上,如果能看到宇宙的全部细节,所有状态都是平等的,没有“过去”和“未来”的区别。
在微观物理层面(如量子力学或统计力学),物理定律大多是时间对称的,即过去和未来的运动规律相同。我们之所以觉得时间有方向,是因为我们只能看到局部的低熵(有序)状态向高熵(无序)状态演变。
但如果站在宇宙整体的角度,所有可能的排列(高熵和低熵)都是平等的,时间流动的“方向”只是人类视角的错觉。所以,如果考虑宇宙的全部细节,时间方向性就会消失,时间流动只是人类的观察效应。
就像电影胶片,如果只看其中一帧,我们不知道故事的发展方向;但连续播放时,我们才觉得时间在流动。
同理,宇宙的所有可能状态都是平等的,“时间流动”只是因为我们只能感知局部的变化,它是人类认知的产物,而不是宇宙本身的属性。因此,时间没有真正的方向。
再说一遍哈。
我们觉得时间在流动,仅仅是因为我们只能感知宇宙的极小部分,并误以为熵增(无序度增加)定义了时间方向。如果从宇宙整体的角度看,时间根本没有流动,过去和未来的区别只是人类视角的幻觉
时间特征的崩塌
由此可见,在宏观世界中,时间已不再具备我们所惯常认知的独立性、统一性、当下性以及方向性,它已然变得面目全非。而在微观的量子世界里,人们向来认定的时间的连续性与确定性同样将遭受颠覆。
前文提及,时空是一种引力场,属于物理实体,而物理实体在微观世界会展现出量子特性,时间也不例外。
量子具有一个最基本的特性——分离性,即其能量并非连续变化,而是仅能取特定值。
当时间被量子化后,奇妙的现象便会出现。倘若我们使用最为精密的钟表去测量极微小的时间段,就会发现测得的时间并非连续不断,而是一段一段断开的,如同袋鼠跳跃一般,从一个值直接跃至另一个值,时间的连续性就此消失。
更为奇特的是,量子还存在测不准效应,它处于叠加态,其位置无法确切判定。想必你听闻过薛定谔的猫,这是一个有关量子叠加态的著名思想实验:
将一只猫置于装有少量镭和氰化物的密闭容器中,镭的衰变存在一定概率。若镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫便会死亡;若镭未发生衰变,猫则存活。
依据量子力学理论,由于具有放射性的镭处于衰变与未衰变两种状态的叠加,那么猫理应处于死猫与活猫的叠加状态,这只既死又活的猫便是所谓的“薛定谔的猫”。
当时间也处于这种叠加态时,一个事件便能够同时存在于过去与未来。这虽然难以想象,但这恰恰是量子世界的运行模式。
如今,通过对宏观和微观世界的剖析,时间的一连串特征逐渐消逝,那个我们曾经熟悉的时间几乎已不复存在,仿佛进入了一个没有传统时间概念的世界。
第二部分:
探索无时间世界
我们即将步入一个时间不存在的世界,去探究世间万物在没有时间引导时的状态,是怎么运行的。
那么,没了时间的指引,世界将如何运转呢?
接下来,我们进入本文第二部分,探寻一个不存在时间的世界的运行模式。
无时间世界的运行密码
1967 年,两位美国物理学家发现了一个量子引力的基础方程,令人惊讶的是,这个方程中竟然不包含时间这一变量,时间仿佛就此消失。
起初,无人能理解这个方程,就连发现者本人也困惑不已。没有了时间,难道世界就静止不变了吗?
然而,随着研究的深入,人们逐渐意识到,基本方程中时间的缺失并不代表时间静止,恰恰相反,它意味着变化无处不在,且变化无需时间来主导。该方程描述的并非事物在时间维度上的演变,而是事物之间相对的变化关系。
举个例子便能清晰理解。
伽利略发现,可以通过脉搏跳动来测量吊灯每次摆动所需的时长,而后人们又利用吊灯每次摆动时间固定这一特性,发明了钟摆。再后来,医生借助钟摆来测量病人的脉搏。
你是否察觉到,这形成了一个循环:伽利略用脉搏测量钟摆,医生则用钟摆测量脉搏。
实际上,时间在这里仅仅充当了一个中介角色。我们从未真正测量过时间本身,我们所测量的不过是脉搏与钟摆这些物理量,并由此得出它们相互关联的变化情况。
所谓的时间,就如同我们在解几何题时所画的辅助线,这根线本身并不存在,却能助力我们解决问题。
倘若我们能够找到像钟摆和脉搏这样相互同步变化的变量,便可以通过它们之间的相互变化来表征时间,而无需从众多变量中特意挑选出一个,并将其定义为时间。
当我们摒弃时间这一概念后,有一点变得愈发清晰:宇宙是由不断变化的事件所构成。
过去,我们一直认为宇宙是由物体组成,
但实际上,所有物体都只是变化过程中的一个个事件。
例如,
一块石头并非单纯的物体,它实则是量子场的复杂振动;
一朵云不是一个简单的物体,而是空气中水蒸气的凝结这一变化事件;
一个家庭并非一个实体的物体,而是由各种关系、事件以及陈设等组成的集合;
一个人同样不是一个孤立的物体,而是食物摄取、信息交流、语言表达等各种活动进进出出的复杂过程。
在这个由变化构成的宇宙中,变化本身取代时间,成为世界真实的运行方式。
第三部分:时间的真相
我们要探究的是,在一个看似不存在时间的世界里,为何我们仍能真切地感知到时间的存在。
新的问题随之而来:既然这个世界没有时间,那我们真切感受到的时间究竟源于何处?时间又因何产生?
接下来,我们进入第三部分——时间的真相。
探寻时间之源:
感知与记忆构建的“时间之网”
时间源于我们的记忆。
前文提到,热量在其中扮演了关键角色,它带来一个重要结果——留下痕迹。
就像我们写字时,用力产生的摩擦力使纸张微微发热,从而留下字迹。我们依据痕迹来判断时间,有痕迹的归为过去,无痕迹的视作未来。若没有热量作用,我们便无法在纸上留下痕迹,自然也难以判断时间。
我们的大脑能够收集过去留下的痕迹,并使之形成记忆。不仅如此,大脑还能将分散的记忆整合起来,借此预测未来。
例如,当有人向你扔东西,你的手会巧妙地移动到物体即将出现的位置接住它,这便是大脑依据过去的印象做出的判断。大脑还让我们知晓,种下种子会收获粮食,下雨天出门会被淋湿。
当我们目睹一个杯子坠落并摔碎,大脑并非产生三个截然不同的信号,而是仅产生一个信号,我们看到的是整个事件的发生过程,而非一个个孤立的瞬间。
这就如同听音乐,我们感受的是音符间的组合关系,而非单个独立的音符。
倘若大脑不能将这些元素前后连贯起来,始终处于当下这一瞬,又怎能欣赏到美妙的音乐呢?
由此可见,我们所感受到的时间,是大脑营造出的一种连贯感觉。这一观点其实由来已久。
古罗马时期的思想家奥古斯丁在《忏悔录》中就曾探讨时间的本质,他说,当我测量时间时,我测量的是当下存在于头脑中的事物,时间存在于我们内心。
德国哲学家康德和海德格尔也持有相同观点,他们认为时间仅在人类范畴内存在,由我们的内在感知塑造而成。
作家普鲁斯特看得更为深刻,他在《追忆似水年华》第一卷中写道,现实只由记忆构成。
至此,我们终于探寻到时间的真相。
本文小结
首先,我们先了解人们普遍认知中时间的六个特征都是不存在的。
第一,时间并非独立,而是与事物变化相关;
第二,时间流速受质量和速度影响,不同条件下人们经历的时间各异;
第三,时间不存在统一当下,“现在”概念因人而异;
第四,时间从过去到未来的流动,源于人类独特视角;
第五,在微观量子世界,时间失去连续性;
第六,在微观量子世界,时间失去确定性,事件可同时处于过去和未来。
其次,我们探讨无时间的世界,其中宇宙万物(如云、石头)皆为变化中的事件。
最后,探究记忆本质,发现时间是大脑营造的连续感觉。爱因斯坦曾表达过去、现在与未来的区别是幻觉。爱因斯坦表达的并不是对时间的学术探讨,而是源于他对生命的体验,强调时间是因为我们而产生,我们是时间的创造者。
至此,这场追寻时间真相的奇妙旅程已结束。
虽然结束了,但依然好期待下一次的见面。
能看到这里,你真的好厉害!