时间是什么 时间的本质是什么

时间是什么？时间是一种我们生活中常用的概念，连小孩都知道什么是时间。但是一旦对其深究，时间就变得神秘起来了。神学家和哲学家就一直在探讨：时间是什么？为什么会有时间存在？然而他们在自圆其说中迷失了自我，并没有给出合理的解释，反而把人搅糊涂了。而当物理学家开始涉足这个终极问题时，才逐渐揭开时间的神秘面纱，但神秘面纱后的真相却完全违反了我们每个人的直觉。

时间是什么  

在所有探索时间本质的物理学家中，从古至今没有一个人像美国物理学家约翰·惠勒那样，彻底地改变了我们对于时间的认识。惠勒在自己的一生中都在与时间赛跑，去揭示时间真实的面目。

两个水火不容的理论

之所以惠勒涉足时间问题，主要是下面这个问题仍在困扰着物理学界：相对论和量子力学里所描述的时间完全不同。

1905年，爱因斯坦建立了他的狭义相对论。他发现时间流逝的速率对于每个地点的每个人并不都是一样的。时间与观察者的运动状态相关。你跑得越快，时间流逝得越慢。如果你跑的速度跟光速一样的话，你就会发现时间变得静止不动，如同消失了一样。

在爱因斯坦提出狭义相对论之后，另一个伟大的物理学理论建立了起来，它就是描述微观世界的量子力学。但是量子力学的到来，使得物理学家对时间的认识又朝着相反的方向发展。在我们日常生活中，事物都是很确定的，像你现在操场打球，我在教室看书，在任何人眼中都是很确定的事。但对一个微观物质来说，就不具有一个确定的状态，而是一个多种状态叠加起来的状态。如果你是一个量子事物的话，那么你可以在家看电视，也可以同时在电影院看电影，也可以同时在运动场做运动等等。每一种状态有一定概率被检测到，也就是说直到别人去观测你时，你的状态按照概率才唯一确定下来。物理学家可以用一个数学函数来描述这个量子状态的概率情况，这个函数叫做波函数。但这个量子状态的波函数是不稳定的，它会随着时间发生变化。而这个时间，却是由一个独立于这个微观物质之外的时钟来定义的，每一秒接着下一个一秒，而其速率是永恒不变的，这反倒如同牛顿所说的绝对时间了。绝对时间与物体运动状态无关，而这却与爱因斯坦的狭义相对论相抵触。

可以看出，两个理论各执一词，僵持不下。伴随着这种困惑，在上个世纪30年代，惠勒进入了物理学界。惠勒研究的中心就是去修补相对论和量子力学之间的缝隙，而这个缝隙就是时间。

逆时间而行的反粒子

惠勒开始对于时间的研究是从正电子开始的。

在1940年春天的某个夜晚，惠勒在美国普林斯顿突然想到一个问题，为什么会有正电子存在呢？正电子是电子的反粒子，具有同样的质量，同样的自旋，但所带的电荷相反。为什么有这种反粒子？惠勒有点搞不清楚了，他叫来他的学生理查德·费曼一起来研究，结果他们发现一个惊人的事实：它们其实是同一种粒子！

惠勒想到，假设整个宇宙只有一个孤零零的电子在时间和空间中穿梭的话，如果电子的轨迹足够复杂的话，那么这个宇宙可表现出它里面存在着许多电子和正电子。惠勒认为，正电子，其实就是一个逆着时间方向运动的电子。这样，一个电子就可以顺着时间运动，然后在反过来逆着时间运动，这时表现为正电子。接着可再次顺着时间运动，反反复复，一个电子就可以表现出一堆电子和正电子了。

以此可以推广，所有的反粒子不过是对应的粒子逆着时间方向运动。当粒子与自己的反粒子碰到一块儿时，它俩会发生湮灭，释放出能量并消失。而这也可以说成是粒子其实没有消失，它只不过是在发生湮灭的那个时间点上突然逆着时间回到过去，变成了反粒子了。

“虫洞”与“黑洞”的诞生

时间，它不仅允许物质可以逆着方向运动，而且根据广义相对论，时间本身还可以被调转，甚至会在某处被终结。

广义相对论认为质量可以把时空弯曲成特殊的几何形态，而空间弯曲程度就表明了引力的大小。惠勒很想知道这种几何形态可以怪异到何种程度，所以惠勒把理论推导到一种极端状态，结果他发现了一种令他极其着迷的东西。这个东西叫做爱因斯坦-罗森桥，一种连接宇宙中两个彼此遥远时空的快捷隧道，一个人可以从一端进入而从另一端出来，这样他不仅可以比光速跑得更快，而且有时候还可以回到过去。例如说，一个人在地球上创造了一个虫洞，他把一个洞口放在他家里，另一个洞口放在一个宇宙飞船上。他可以带着这个洞口坐着飞船去宇宙溜达一圈回到地球。根据相对论，我们知道，跑得越快，时间流逝得越慢，所以对于他来说这个过程可能只过了12个小时，但是地球上却已经过了10年。但是他发现，从飞船上的虫洞看过去，洞口另一端仍是12个小时之后的地球。所以他完全可以爬过虫洞，回到10年前的那个地球，也就是说他可以利用虫洞回到过去！（不过我们也注意到，他并不能回到虫洞创造以前的时刻，所以他不可能回到二战前干掉幼年的希特勒。）惠勒给这个快捷的时空隧道起了一个响亮的名字：虫洞。

当他继续对时空进行研究时，惠勒又遇到了另一种引力怪物：某个地方的质量是如此密集，所产生的引力是如此之强，以至于会把这里的时空无尽地挤压下去。他也给这种天体起了个名字：黑洞。黑洞里面的“时间”失去了原来所有的意义，这里的时空极其怪异，物质运动一直朝向黑洞中心，因为这个方向变成了时间方向，而黑洞中心那个密度无穷大的奇点就是时间的终结之处。

被诅咒的方程

尽管每个人都能感受到时间的流逝，但是后来惠勒所发现的是，如果从整个宇宙的角度来看的话，宇宙可能原本没有时间，它是额外产生的。

1965年的某一天，惠勒在美国北卡罗来纳州机场里等候飞机的时候，叫来他的同事布莱斯·德维特陪伴他。在航站楼里，惠勒和德维特写下了一个关于波函数的方程，惠勒当时称之为“爱因斯坦-薛定谔方程”，后来其他人都把这个方程称为“惠勒-德维特方程”。有意思的是，德维特把这个方程称为“被诅咒的方程”。

量子力学的波函数是描述微观世界的，而惠勒和德维特的波函数是描述整个宇宙的，但问题是这个方程中没有时间这个参量，他们也不知道如何把时间加入到方程中。所以，尽管他们的方程成功地把广义相对论和量子力学结合了起来，但是由于没有时间参量，得到的结果将是一个静态的宇宙解，这个宇宙不会变化，永远停留在一个不变的瞬间。

从之前的对于虫洞的研究中，惠勒就已经知道时间的箭头可以被弯曲和调转。同时，他对黑洞物理性质的研究，使他认识到时间在黑洞的深处是不存在的。此时在这个机场内，这个“被诅咒的方程”使惠勒预感到，宇宙可能原本没有时间这个东西，它不是宇宙的基本元素，是额外产生出来的。就像爱因斯坦所说的，时间如同一种主观的幻觉。

诡异的双缝实验

那么为什么会有时间呢？惠勒认为解决时间存在的关键，就是量子测量问题。而双缝干涉实验就是一个形象体现了量子测量问题的物理实验。

双缝干涉实验是演示微观物体的波动性与粒子性的实验，也就是说微观粒子，例如光子，通过两个互为平行的细缝之后，抵达感光屏会形成明暗相间的干涉条纹，说明光子具有波动性，就像水波和声波可以干涉一样。不过我们这里以从光子的粒子性来考虑问题，并假设光子是一个一个地从激光器射出来。光子出来之后穿过两个互相平行的细缝，然后抵达对面的感光屏上。每一个光子都有一半的机会穿过其中的一个细缝，所以累计下来，你也许会认为屏幕上应该有两条对应的亮斑，但事实不是这样，感光板上会形成明暗相间的干涉条纹。

不管听上去多么不可思议，事实是只有每一个光子都同时穿过两个细缝时，干涉条纹才能产生。根据量子力学，光子穿过两个细缝的时候，光子并没有真的分裂成两个部分，我们也无法知晓它究竟是怎么同时穿过两个细缝的。但如果从抽象的数学上看这个问题就简单了，描述它行为的数学，即波函数会分成两个部分，每一个部分通过对应的一个细缝，通过后它们再次结合起来，不过这时，两个波函数并不能完整地叠加起来。如同水波的干涉实验一样，当两个波的波峰或波谷遇到一块时，叠加之后波的振幅更大，所以光度会变得更亮，那么就会在屏幕上形成一个亮条纹；当一个波的波峰遇到另一个波的波谷时，叠加之后波就会被抵消掉，其振幅就变零了，所以光度会变得更暗，会在屏幕上形成一个暗条纹。

如果你想搞清楚光子究竟是怎么通过两个细缝的，那么可以在每个细缝上安装一个探测器，然后再次进行实验，不过此时奇怪的事情发生了：虽然光子仍会一个一个地通过细缝到达屏幕，但是干涉条纹消失了。屏幕上只有两个大条纹，每一个对应着一个细缝。每一个光子都好像知道自己要被观测到一样，所以都老老实实地每次只通过其中的一个细缝。

光子当然没有自我意识，但是只要我们对这个系统进行测量，那这个系统的状态就会被确定下来。如果我们不去观测光子是怎么走的，光子就同时穿过两个细缝。如果我们去观测的话，光子就会找到一个唯一的路径通过其中一个细缝。所以说，我们的测量改变了已经形成的东西。

延迟选择思想实验

1979年，惠勒提出了一个全新的思想实验。这个思想实验是关于时间的最为引人注目的研究成果，它叫做“延迟选择实验”。

惠勒意识到，在双缝干涉实验中，让光子一个一个地通过两个细缝之后，其实观测者可以任意决定他想要的结果，即感光板上出现的是干涉条纹或是两个光斑。具体地说，就是在光子通过两个细缝之后，如果我们需要的是干涉条纹，那么就在后面放一块感光板；如果我们需要的是两条光斑，那么就移开感光板，用两个小望远镜对着两个细缝，而此时一个光子就会只经过其中一个细缝，这样通过望远镜我们就可以知道光子会通过哪个细缝了。用这种办法，我们可以随意决定，一个光子究竟是通过了一个缝隙还是通过了两个缝隙，尽管在我们做决定之前那些光子已经通过了两个细缝。

为了理解这个观点，惠勒把这个延迟选择实验推广到更大范围内。假设光线从数十亿光年外的类星体发出并射向地球。中途正好有一个大质量的星系，产生的引力场如同透镜一样使得光线发生弯曲。光线改变了自己原来的路线并从星系的边缘通过，并假设从星系的左边通过还是从右边通过具有同等的概率。为了更好地说明，也假设光子是一个一个地抵达地球。那么这和双缝干涉实验一样，在地球上的我们又面对同样的选择。我们可以在光线抵达的地方放置一个感光板，感光板上面就会形成明暗相间的干涉条纹，这样光子同时从星系两边通过。或者，我们也可以使用两个望远镜分别对准星系的左边和右边，观察光线到底从哪边过来的，而这时光子就只从星系其中的一边通过。我们此刻做出的选择，决定了光子所经过的路线具体是怎样的，尽管这个过程开始发生在数十亿年之前。

检测延迟选择

听起来这种延迟选择实验的确很古怪，那么这种实验可以在实验室内实现并检验吗？

第一个实现这个思想实验的人是美国物理学家卡洛尔·阿雷。阿雷早在普林斯顿大学是就知道惠勒的大名，不过他那时所在的研究小组研究的课题是，通过对地球与月球之间细微的引力作用进行观察，来检测广义相对论的正确性。而这个研究需要精确测量地月之间的距离。他们想到，如果在月球上放置一面镜子，那么就可以在地球上发射一道激光，激光会被镜子反射回来，测量激光射出到返回后的时间就可以精确测出地月之间的距离。在他的建议下，相关机构成功地在月球上放置了三面镜子，其中第一面镜子是在1969年由第一个登月的尼尔·阿姆斯特朗在月球上放置的。

当阿雷了解到惠勒的延迟选择实验时，他突然眼前一亮，意识到利用激光检测地月之间的距离所使用的相关技术，可以拿来去实现惠勒的延迟选择实验。从月球上回来的光线通常十分微弱，阿雷和他的团队发明了一种复杂的方法，可成功地探测到一个光子的存在，而这种复杂的方法就可以应用到延迟选择实验中。

1984年，阿雷和其他两名物理学家成功地在实验台上演示了延迟选择实验，结果就如同惠勒设想的一样：测量使得“现在”决定了“过去”是怎样的。我们以前所理解的时间就是：过去的就是历史了，历史是不能改变的。而延迟选择实验表明，过去所发生的事情，我们可以改变的。

自我激发的U形宇宙

对于惠勒来说，这不仅仅只是一个奇怪的现象，延迟选择更是解决时间以及整个宇宙存在的关键。

惠勒曾经画了一个大写字母U来代表整个“宇宙”，这个字母U左上角坐落着一只巨大的眼睛。这个眼睛穿过字母的那个“深渊”注视着字母U的右上角，而那里就是时间的起源点。当你随着这个字母U从右边“俯冲”到左边时，时间就开始不断向前流逝，宇宙不断成长变化，在某一个星空的角落里，生命元素汇聚在某个岩石星球上，逐渐形成了我们人类，而我们就成为宇宙的一个观测者。现在通过量子测量产生的作用，我们往回看就再次创造了这个曾经生成过自己的宇宙。

延迟选择就是他的U形宇宙工作的机理。是由于我们现在对宇宙进行了观测，所以宇宙是在137亿年前的大爆炸中产生，并演化到如今的样子。就像双缝干涉实验一样，宇宙演化的具体过程是我们观测的结果。如果我们不观测，那么宇宙的演化过程也就不能确定下来。这样一来，时间从137亿年前的“过去”流向我们观测宇宙时的“现在”，而“现在”的观测却可以反过来去产生“过去”。这个观点，挑战了我们所有关于时间的直觉。我们的观测行为参与了宇宙创造的过程，所以说这种U形宇宙也可以称为“参与性宇宙”。

具有多重历史的宇宙

惠勒曾经对自己的学生说过，“这个想法足够疯狂了，所以它很有可能是对的。”同样，这句话也适用于惠勒的延迟选择实验和U形宇宙，而且这个想法对物理学界产生了广泛的影响。

过去研究宇宙时，都按照底（即时间的起点）到顶（即现在时刻）来研究的。而最近几年，斯蒂芬·霍金与他的合作者托马斯·赫托格提出了一个新的方法来研究宇宙，叫做“从顶到底”方法，其实就是惠勒延迟选择的一种推广。当没有观测的情况下，如同那个从类星体射来的光子会同时按照多个路线来运动一样，霍金和赫托格也同样认为，这时候宇宙本身也具有多重历史，宇宙现在的模样只是其中的一种历史，是我们观测的结果。就像双缝干涉实验一样，不观测它光子就会同时经过两个细缝。所以说，我们因观察历史而创造历史。霍金写道，这个从顶到底的宇宙学和相关的因果论的确是令人吃惊的。而这个正好就是惠勒绘制的自我激发的U型宇宙所描述的。

另外，霍金和赫托格提出的这种方法，在霍金和列纳德·蒙洛迪诺合著的《大设计》书中有详细的描述，读者可以拿来去参考。

时间的本质是什么

一切的背后是信息？

然而，惠勒在去世之前，仍有许多最为基本的问题仍然困扰着他。

惠勒知道“现在”可通过量子测量去决定“过去”是怎样的，而宇宙本身如同上面所说的，通过量子测量自己会产生自己。但问题是量子测量是如何做到这一点的？为什么时间会连续不断地流逝着？还有，为什么会有量子呢？惠勒指出，虽然量子力学是科学中最成功的理论之一，但是没有人真正理解量子力学背后究竟是什么。就如流传了很久的一句名言，“如果你自认为你懂得量子力学，那就说明你根本就不懂量子力学。”

所以说，如果要真正地了解时间本质，我们必须对量子力学背后的含义进行更深刻的思考。最近来自英国布里斯托大学的研究小组第一次尝试去解释量子力学背后的含义。他们提出的理论认为现实世界的基石是信息和计算，宇宙中的所有事物都是用信息单元（一种可表达信息的最小量）来编码而成的，而且宇宙中信息单元只有唯一的一种，不同事物里的信息单元都是一样的。以这个理论为基础，研究人员发现，即可推导出描述微观世界的理论——量子力学。虽然这个理论还不好理解，并且还极其简陋，不过也许沿着这个研究方向，时间是什么的问题会最终得到解决。