时间真的会“流逝”吗？

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时间真的会“流逝”吗？

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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。

——亚里士多德《物理学》

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。
循环的时间观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？

                               
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对我们这些坚信物理学的人来说，过去、现在和未来之间的区别……不过是一个幻觉而已……

——爱因斯坦

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。
牛顿体系完全符合我们日常对世界的认知，在很长一段时间里，它一直是科学界的主导。但现在，当我们的认知不断突破极大和极小的边界，我们已经认识到，在宇宙尺度上，或者聚焦在原子和亚原子尺度上，牛顿的理论就不再适用。
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。
爱因斯坦的相对论打破了牛顿绝对的时间观念。在相对论的体系下，三维空间和一维时间被合并成了四维时空。但是和牛顿的理论所面临的问题相似，相对论同样建立在“无方向的时间”的概念上。
20世纪中后期，一些科学家试图将相对论和量子力学统一，建立起量子引力理论，它能够解释时间的单向演化。这其中不乏一些人们熟知的名字，比如彭罗斯。但这种统一的实现似乎还需要走很长一段路。
既然目前物理定律中的时间似乎并没有方向性，我们为何仍会觉得时间“一去不复返”？

                               
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我们对时间流逝的感觉，一面固然被经典力学、相对论、量子力学搞乱，另一面却从热力学中得到支持。

——柯文尼&海菲尔德《时间之箭》

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。
但问题并没有那么简单，因为热力学第二定律并不能真正解释时间之箭，它说的仅仅是，高熵的状态比低熵的状态更有可能出现。因此，其中一种解释还需要一种假设，那就是宇宙恰好以一种极不可能的低熵状态开始的，如果不是这样，时间就会被“卡住”，任何有趣的事情都不会发生。罗韦利（Carlo Rovelli）认为，如果宇宙是在一个随机状态下启动的，那过去和未来就不会有区别了。
事实上，观测证据表明，宇宙确实始于一种低熵的状态。宇宙学家认为，在时间的开端后的一瞬间，宇宙可能经历了一次快速而剧烈的膨胀，被称为暴胀。暴胀可能发生过不止一次，它会导致无限的多元宇宙的诞生。在多元宇宙中，一些宇宙存在时间之箭，一些则没有。可以说我们是幸运的，因为只有在存在时间之箭的宇宙，才有机会演化出生命。

                               
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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《[color=var(--weui-LINK)]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。

                               
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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。


参考来源：彼得·柯文尼，罗杰·海菲尔德，《时间之箭》，湖南科技出版社，2018年1月罗杰·彭罗斯，《宇宙的轮回》，湖南科技出版社，2018年1月

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

https://www.newscientist.com/article/mg24532770-400-we-may-have-spotted-a-parallel-universe-going-backwards-in-time/

https://www.newscientist.com/article/mg23831740-200-quantum-time-is-this-where-the-flow-of-existence-comes-from/

https://www.quantamagazine.org/what-is-time-a-history-of-physics-biology-clocks-and-culture-20200504/

封面图来源：Pixabay