时间有开端吗，时间会终结吗？
Original Takeko
原理 2 days ago
古往今来，时间一直是一种神秘的存在。无论是哲学思辨，还是文学作品，无论是文化宗教，还是科学研究，时间高深莫测的性质一直令人着迷。
在许多原始社会中，时间被看作是一种不断循环的节奏。到了公元前约350年，亚里士多德（Aristotle）提出了一个听起来相当现代的时间定义，他认为“时间是关于先后的可计算的运动量度”，将时间作为事件的固定序列。
但时间有开始吗？
亚里士多德回避了这个概念，科学却没有回避这个问题。20世纪初，天文学和宇宙学试图找出答案。尽管这很困难，但我们现在还是有相当大的把握，窥探到了宇宙开端发生的事情。
20世纪20年代，俄国物理学家弗里德曼（Alexander Friedmann）利用广义相对论预言了一个膨胀的宇宙。弗里德曼的模型表明，宇宙是从一种无法描述的致密状态中，以某种大爆炸的方式诞生的。在大爆炸之前，什么都不存在，什么都没有，没有空间，没有物质，同样，时间也不存在。
任何理论模型都需要观测证据的支持，而主流科学界对大爆炸理论的信心最初来自一位更著名的天文学家——哈勃（Edwin Hubble）。
就在弗里德曼提出他的宇宙学模型几年后，1929年，哈勃基于光谱线红移，得到了令人信服的证据，证明遥远的星系正离我们远去，距离我们越遥远的星系，远离我们的速度就越快。如果这样倒推回去，我们就会发现，宇宙中的一切在过去的某个时间是完全聚在一起的。
图片来源：NASA/WMAP Science Team/ Art by Dana Berry
哈勃的这一发现为大爆炸模型铺平了道路。而更为关键的证据来自20世纪60年代。当时，物理学家彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）在实验中发现有一种外来的微波噪声。起初，他们非常仔细地想要消除这种噪声，为此甚至还赶走了一对在实验室天线上筑巢的鸽子。
但事后证明，鸽子是无辜的。任何努力都无法完全消除这种噪声。在仔细研究噪声的性质后，他们一致认为，这是一种来自银河系之外的热电磁辐射，它只能被解释为是宇宙演化极早期的遗迹，也就是宇宙诞生的“回响”。
这种辐射曾经被起过各种名字，包括辐射遗迹、3度背景等等，而最终被命名为宇宙微波背景辐射（CMB）。CMB为大爆炸理论提供了关键证据。现在，有更多观测证据支持大爆炸理论，宇宙在大约138亿年前诞生。
也就是说，宇宙有了一个开始，或许我们可以说，时间本身也在这里有了一个开端。
那我们不如继续追问一个更令人毛骨悚然的问题，时间会终结吗？目前来说，我们还没有能力确定地回答这个问题，但这并不妨碍我们自由地畅想一下。
这种想象甚至可能比宇宙末日还要可怕。因为在大多数宇宙末日的“一般情况”下，仍然存在着一种令人欣慰的可能，那就是一个新的宇宙可能从旧宇宙的“灰烬”中诞生。但如果时间本身可能会终结，那么我们就没了退路，故事到这里就完全画上了句号。
近年来，宇宙学家一直试图面对这个最后的帷幕。也许这对他们来说并不是一个可怕的命题，因为他们已经习惯了来自爱因斯坦广义相对论有关的时间终结问题。这个引力理论意味着，当一颗恒星坍缩成黑洞时，其中的物质会被压碎成一个密度无限的单点，也就是奇点，在这里，所有的量都变成无穷，时间结束。
但是，广义相对论或许不是一个完美精确的理论，物理学家怀疑它提到的奇点会受到量子力学的影响。如果真是这样的话，当时空穿过黑洞的裂痕，可能会有足够的空间让它生存下来，并在另一边恢复。
或许时间能够避免一个激烈消亡的结局，但它也有可能停滞。在很久很久很久之后，当所有的恒星都燃烧殆尽，甚至连黑洞都“蒸发”了，我们宇宙中的所有物质都可能变得均匀分布。一切都已经最大可能地变得无序。那么时间就不存在一种“方向的流动”了，也不会有任何事情发生。
但是，在亚原子尺度上，粒子仍然会相互碰撞，这些随机碰撞会导致一些更有趣的事情。统计上罕见的意外有可能会产生一个有序的物体，比如一杯啤酒，或者一只猴子，这个有序的物体将再次短暂地受到时间的影响，直到一切再次变得完全无序。在这种情况下，时间已经非常“虚弱”了，但它并没有完全消亡。
时间的真正消亡可能是由多元宇宙决定的。许多宇宙模型都包含一种称为永恒暴胀的暴胀形式，在这种暴胀中，新的宇宙被不断创造出来，每个宇宙都有不同的性质。宇宙学家想掌握各种可能性——这些宇宙中有多少恒星，有多少物质，有多少比例可能会出现生命。但他们遇到了一个障碍。在一个无限增殖的宇宙中，一切都有无穷多个版本，而不可能计算出概率。
为了解决这个问题，一些宇宙学家假装大多数多元宇宙不存在。通过在空间和时间上施加一个任意的截止，他们可以计算出多元宇宙的局部区域的概率。这种做法似乎很管用。例如，他们用这个概率来预测宇宙常数的一个数值，也就是推动宇宙膨胀的斥力，这个值和天文学家的测量结果基本相当。
虽然这听起来对宇宙学家和他们的计算来说是个好消息，但对时间来说却是个坏消息。理论物理学家步索（Raphael Bousso）认为，只有真正的多元宇宙在时间上是有限的，这些概率才是一致的。如果被“切断”的多元宇宙反映了现实，根据他的计算，时间可能只剩下几十亿年了。
这是听起来很疯狂，但也不必过于担心，这仅仅是多种预测之中的一种而已。比如还有一些研究认为，即使不用“斩断”时间，多元宇宙中的概率仍然能够被计算出来。
如果时间“真正的终结”是有可能的，那会是什么样子？
或许令人意想不到的是，真的有科学家进行过相关的实验。物理学家Igor Smolyaninov进行过一项研究。他使用了一种材料，由沉积在金膜上的塑料条制成，这种材料代表了宇宙，它能以一种特殊的方式使光线弯曲。在这种超构材料中，有一个轴就像时间一样，它会把光线向前拉，这种运动在数学上与光在时空中的移动是一样的。
Smolyaninov将一些超构材料连接到一块普通的材料上，在普通材料中，光可以向任何方向自由移动，这意味着没有时间轴。他发现，在两片区域的边界处，也就是“时间消失”的地方，光会堆积起来形成一个强大的电场。根据理论预测，如果材料中没有能量损失，电场将增加到无穷大。
Smolyaninov认为，如果将物理真空比作超构材料的这种类比成立，那么在现实空间中，所有的能量场都将被提升到巨大的数值，温度升高，在存在的最后一瞬间充满粒子的“地狱之火”。如果你认为一切都会走向“地狱”，在某种意义上，也许你是对的。
物理学家玻尔（Niels Bohr）曾说：“预测是很困难的，尤其是对未来的预测。”时间的尽头（如果真的存在的话）究竟是什么样，或许只有“交给时间”来回答。
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/mg21128331-500-about-time-will-time-end/封面图来源：Pixabay
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发表于 2020-6-7 18:31
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