2017-07-23博科园296评
本文为你用物理学的角度剖析时间，颠覆你的认知。时间是否物质化，时间是否是幻觉？
1.1时间的简单历史
200年前，富兰克林提出了“时间就是金钱”。这句话在新世纪中依然体现着它的意义，时间在21世纪的意义，就像能源一样重要。
互联网时代出现后，地域的限制已经不再存在，无论是北京还是上海，只要联网，都能看到网站的同步更新，这意味着时间实际上已经战胜了空间。
而测量时间这一活动可以追溯到20000年前：冰河时代的猎人在棍子上或者石头上划刻痕用以标记时间。大约5000年前，巴比伦人和埃及人设计了日历，用以指导种植及其其他活动。
埃及的第一张日历图，图自网络
GPS卫星会持续报告卫星的准确位置以及其上原子钟记录的时间，而GPS接受装置会处理来自至少4颗卫星的信息，并且将其转化为精确的地理坐标，提供给需要的人。这种装置要求很严格，只要一个卫星的时间偏移百万分之一秒，就会在GPS接收器上产生5分之1英里的偏差。
1.2感受时间
时间的本质这一古老难题，不仅吸引了物理学家和哲学家的注意，还吸引了人类学家的注意。多余我们大多数人来说，时间不仅是真实的，还是我们所做一切的主人。
我们清楚的感受到自己被夹在过去与现在之间，或许这和一个基本的生物事实有关：我们的身体充满了生物钟，它们支配着我们什么时候觉得困，甚至什么时候走向尽头。生物学家也开始逐渐揭开了生物节律的秘密。于是科学家们逐渐锁定了大脑的特定区域，这些区域有助于我们感受时间的变化，所以我们开心时就会有时间过得很快的感觉。
归根结底，时间作为三个空间维度的第四个维度，我们一直以来都对它怀着满满的敬佩。
第二章 时间的本质
2.1时间是幻觉？
在你读这句话时，你大概会认为“此时此刻”，也就是现在，正在发生。“现在”给人的感觉很特别，不论你如何留恋过去，现在都是最真实的，我们有一种深入骨髓的直觉，认为“未来”尚未确定，而“过去”不可更改。这种时间观念，植根于我们的语言、思维和行为当中。
尽管这种时间观念非常自然，我们却找不到任何科学依据支持这一观念。物理学方程没有告诉我们哪些事件是正在发生的，并且爱因斯坦的相对论指出，所有时刻都是平等的，都同等于“现实”，特殊的“现在”根本就不存在。如今，物理学中的时间和我们感受的时间已经出现了一道鸿沟，一个合乎逻辑的结论呼之欲出——时间根本就不存在。
这个概念让人大吃一惊，很难想象它能自圆其说，我们能看到种种改变，头发变白等，都是某些属性相对于时间而发生的改变，没有了时间，世界就应该完全停止。那么如果没有时间，我们又将如何看到这些改变呢？
我们要解释的，也就是这一点。尽管时间在基本层面上或许并不存在，但它可以在更高层面上产生出来——就像桌子触摸起来是坚硬的一样，哪怕它只是很多粒子的组合。（演生属性是那些高层次具有而低层次不具有的属性）时间，也许也是一种类似于坚硬的演生属性。
2.2时间在物理学中的变革
经典物理学假定，事件发生的先后次序，原则上能被所有观测者认同，因此在牛顿运动定律中，时间为世界上所有事件提供了一份完整的先后次序。不仅如此，时间还必须是连贯的，因此我们定义了速度和加速度。
从本质上讲，牛顿提出，这个世界生来就有一个超然的母钟，母钟客观地将世界分割成时间的一个个瞬间。牛顿认为时间的流淌给我们提供了一个箭头，告诉我们哪个方向才是未来。
每一帧都可以推导出下一帧
直到19世纪末，玻尔兹曼推论出不论时间是正向流淌还是反向流淌，牛顿定律都同样适用，因为时间本身并没有内置的箭头，他提出，过去和未来的差别不是时间所决定，而是宇宙中物质组织过程中的不对称引起的。
随后爱因斯坦废除了绝对同时的概念。根据相对论，事件是否发生取决于你的速度。发生事件的真正舞台不是时间，而是时空。到了1915年，他又提出广义相对论，将狭义相对论扩展到了存在引力的环境中，传统时间的处境就更加窘迫了。引力可以扭曲时间，因为这里的一秒和那里的一秒不是同一回事。可以说，爱因斯坦让时间在物理学中产生了第一次变革。
第二次变革就来到了现代物理时代，现代物理的最高目标就是要统一广义相对论和量子力学，创造出能同时处理物质的引力和量子特性的理论——量子引力论。但时间成了绊脚石。
量子力学称，物质能拥有的状态远远超出位置和速度之类的范畴。对物质状态的完整描述，由一个被称为“量子态”的函数给出，物理学家可以通过这一函数给出实验结果的概率。这种函数在某种意义上允许在两个相互矛盾的结果得以共存。例如，在时间上，某个时间点你活着或是死了都是能同时存在的，这种几率在时间中累加，而不是地点。
目前，在推导爱因斯坦方程时（把电磁学量子化），结果表明完全没有时间变量，时间t就这么消失了。按字面意思理解这个结论——时间没有真正存在过。
那么改变是怎样引起的呢？本质上讲，改变源于物理体系之间的关联。我们要做的就是描述两个物体间的相互关联，消去作为中介的全局时间。我们可以不把棒球的速度说成5米/秒，而用冰川的改变速度来描述它。不用时间，我们一样可以描述改变。
各种关联网
这种相互关联交织成一张巨网，物理学家把宇宙的运行规律，总结成含有时间项的物理学定律，但我们不能因为时间给了我们方便，就把它当做世界的组成部分了。就像钱一样，我们不用以物易物，但钱本身不具备价值。时间也一样，不过是方便而虚构出来的东西，但它并不在自然界中真实有价值的存在。
2.3时间从未流动
时间可视为第四维这个事实并不意味着它和空间的三维一样，它们以不同的形式存在于物理理论中。但许多物理学家相信在极小的空间和时间尺度上，空间和时间可能会变得没有区别。
相对论告诉我们，事件的发生取决于你的相对位置和运动方向。如果你和我在一个相对运动中，对于一个事件，我可能会判断为还处于尚未发生的未来，而对你来说这一事件可能存在于确定的过去中。所以，最直截了当的结论就是，过去和未来都已经确定。基于这个原因，物理学家更喜欢把时间当成总体上已经布局好的全局时间，所有的过去和未来都已经存在了。这个想法被称为块时间。总之，在物理学家眼中，时间不会消逝或流动。
传统时间观和块时间的观点
我们在讨论时间流逝时遭遇的困惑，主要源于时间流逝和所谓时间箭头的关系。不可否认世界上的事件构成了一种单项序列。自然界充满了不可逆的物理过程，所以热力学第二定律在世界发挥了关键作用，也导致了时间轴上过去和未来两个方向出现了明显的不对称。
物理的不可逆过程使得时间流动成了世界的一个客观性质。
时间的不对称性有两个方面可以让我们产生时间在流动的错觉。
第一，由于熵的概念，记忆的形成是单向过程——新的记忆增加了大脑的熵值。我们也许可以把这一单向性理解为时间的流逝。
第二，可能是我们对时间流逝的理解和量子力学有某种关系。根据海森堡不确定性原理，对于一个特定的量子态，有很多不确定的未来。比如，在观测者发现电子在某个方向运动时，一个特定的现实就从数量巨大的一系列可能性凸显出来。那么对观测者而言，可能性转化为真实性。开放的未来变成了确定的过去——所谓时间之流。
2.4 时间是离散的
100多年前，大多数科学家认为物质是连续的，直到原子的发现，我们才知道物质是离散的组合。那么时空呢？空间是我们所想的那样连续，还是由离散的块组成。对于时间而言，是否有可能由离散的块组成。
过去几十年的研究让这个问题取得了巨大的进步。圈量子引力理论预言了时空的确由离散的块组成。
量子理论和广义相对论都已经被实验完美证实，但实验没有探索到这两者都起重要作用的情形。当把两者结合起来时，发现了一个巨大的漏洞：计算假定的几何空间都是连续平滑的。于是我们找了两个原理，（背景独立和微分同胚不变性）合并后，出现了圈量子引力理论，结论就是空间如同原子一样，体积是可区分的块。总之：空间不连续，只存在特定量子单位的面积和体积。随后我们表示出了体积的量子态，再模拟了时间的量子态，我们发现正如空间是由自旋空间离散的几何结构一样，时间也是离散的重组网络。（这段话看不懂就算了吧）。
第三章 时间与宇宙
3.1时间开端
因为我本人就是研究弦论的物理学家，所以对这一章节格外的认真。
弦论认为，大爆炸并不是宇宙的开始，而仅仅是前一个状态演化的结果。
弦论的基本想法是基本粒子不是点状的，而是一维物体——弦。量子弦的尺寸是有限的，如果不是量子效应的话，弦还能被切割成无质量的点粒子。但由于海森堡的不确定性原理，最终会被规定在极小的长度下。其次，量子弦即使没有质量，也可能会有角动量，并且量子弦要求在通常的三维空间之外还有额外空间维度存在。
此外量子弦还能体现出一些新的对称性。（由于读者专业知识有限，这里不再赘述）总之，弦论的T对偶和D膜等都指向了一个性质：弦不会坍缩成无限小。
于是，弦论物理学家开始尝试猜想大爆炸前的宇宙。根据T对偶和时间反演对称性组合起来，我们可以得到的是：大爆炸前的宇宙几乎是大爆炸后宇宙的镜像。
大爆炸理论，图自网络
如果未来宇宙将永远存在，宇宙中的成分随之变得越来越稀薄的话，那么过去它也是向前无限延伸的。在无限久的过去，它几乎空无一物，只有一些微薄的气体，自然的作用力非常微弱，以至于粒子间没有任何作用力。随着时间的流逝，作用力强度增大，某些区域开始吸引周边的物质，最终形成黑洞。各个黑洞让区域内的物质和外界分开，让宇宙断裂成一个个不连通的碎片。
在黑洞内部，时间和空间交换了角色。当密度、温度和曲率达到弦论所允许的最大值时，这些量的演化反转，开始减少。这个反转的时刻称为大爆炸，这些黑洞其中之一就是我们的宇宙。
另一种模型是近年才提出的火劫模型。
火劫宇宙
我们的宇宙处于高维空间的一端，而一个“隐形膜”处在另一端，彼此吸引，偶尔会碰在一起，导致额外维度缩小到零然后再增长。大爆炸就对应于两个膜相撞的时刻。在这个火劫宇宙中，碰撞时周期性的，两个膜可能会撞击，然后弹开，再接近。膜在远离时膨胀，在靠近时收缩。实际上，我们的宇宙目前的加速膨胀可能就预示了下一次撞击。
碰撞膜
那么时间到底是何时开始的？科学研究目前没有给出一个决定性答案，但至少有两种以上的理论支持，宇宙以及时间在大爆炸前就存在了，如果其中一种是正确的，那么宇宙便是永远存在的，并且不会终结。
当然，这里还可以提一些其他的预言，例如有人说，宇宙微波辐射可以预示着时空诞生于神秘的四维黑洞等。
宇宙微波辐射
第四章 时间旅行
假如时空扭曲得很厉害，以至于一些世界线构成了闭合环路，它们就会成为通向过去的通道。如果精确地沿着这样一条闭合的类时曲线走一周，你就会撞到以前的自己。
闭合类时曲线
在非常极端的情况下，时空能弯曲到一定的程度，从而创造出从现在回到过去的路径。
虫洞！通过虫洞的入口是球形的，它是一个进入四维通道的三维入口。进入虫洞不是让你在一个时刻消失，另一个时刻被重新组装。而是你的时间和其他地方不同步而已。当然，要想得到虫洞，你需要负能量，也就是我们所说的暗能量，否则虫洞必然会坍缩。所以，制造这样的时间机器是不太可能的。
不过在时间旅行上，采用较为保守的“时间延缓”却是有可能实现的。两种方法，第一，近光速行驶，这点通过狭义相对论大家都知道。第二，借助引力。引力同样可以延缓时间的流逝。
中子星的表面引力非常强，以至于这些星球上的时间相对地球延缓了30％，在黑洞表面，时间相对于地球是静止的。如果一个宇航员毫发无损地从黑洞边缘回来，那么他就已经跳跃到了遥远的未来。当然，穿越到过去就只能依靠虫洞了。（反向穿越也可以到达未来）
如果能创造出一个稳定的虫洞，就可以立刻用它来进行时间旅行，一个穿越了虫洞的宇航员可能会发现，自己不仅身处宇宙的某个角落，而且还穿越了时间。
当然，有可能空间本身就存在虫洞这样的结构，比如来自大爆炸的遗存，果真如此的话，超级文明或许正在利用它。另一方面，虫洞也许在非常小的尺度自然存在，比如普朗克尺度。
就这样，时间的论述结束了，物理学中，时间的谜底正慢慢地揭开......
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作者：天天赐赐丶
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