大白带你颠覆三观----宇宙的秘密（二）

宇宙是时间，宇宙是空间，昨天大白颠覆了空间观念，空间无限，空而不空。那今天大白来和大家颠覆下时间观念。一般我们说一个人没有时间观念，是指这个人没有时间概念，经常不遵守时间。但是今天不是颠覆这个观念，而是想和大家聊聊时间不是一成不变，滚滚向前的。

经常有人说千金难买早知道，万金难买后悔药，用来感叹时间流逝，机会不再，就再也不能推倒重来了。可是今天大白却要说，时间可能可以是倒流的，也可能可以是快进的，甚至可能是静止凝固的。我们看到的只是一个个串联起来的片段，过去，现在，将来都有可能以数据形态存在。

第二：时间幻象

我们通常认为时光如梭，如大河滚滚东流，总是朝着一个方向不停的前进。有些事情是有固定顺序的，比如一杯茶会慢慢冷却下来，一个冰块会融化成水，番茄炒蛋无论如何也不会再变成番茄和鸡蛋，破镜也不会重圆。

　　这些是时间正在向前流动的表现。

但是经过一个多世纪的实验，物理学却证明时间可能只是一种幻觉。时间可以加速或者延缓。跟我们的常识可能不同，时间可能是凝固不动的，我们的过去不会消失，我们的未来也许已经存在，我们觉得可能向一个方向发展的事情，也可以逆向发生。那为何会如此？

尽管除去时间会让人困惑不已，但越来越多的证据表明，在实在（存在）的最基本的层面上，时间只是一个幻象。更奇怪的是，激光实验测试和弦论（一个认为粒子是由细小的能量纤维组成的理论框架）的进展都不约而同地指向一条思路：时间并不存在。

一个世纪多点前，我们认识中的时间与空间图景远没有这么复杂。物理学家愉快地在一个固定的三维空间背景下追踪物体的运动，并用一个独立的时钟（上帝之秒表）来标记它们运动的快慢。人们认为，不论身处宇宙何处，上帝之表都以相同的速度滴答走秒。但到了20世纪初，两大物理革命撼动了这种观念。

第一场革命，是爱因斯坦的相对论将时间与空间编织成了随动的四维结构。爱因斯坦将这种结构称为“时空”，它能随周围大质量的物体而变形，产生弯曲。质量小的物体则会沿着这些弯曲“滚向”大质量物体，这让宇宙产生了一种称为“引力”的作用力。在这一新的宇宙论中，时间不再是千年旁观者，而成为与空间相融合、相联系的一个维度。时间维和那些毫不含糊、可以测定的不同，它现在变成相对的了。相对论说明，时钟的快慢取决于物体穿过空间的运动快慢以及它们靠近通过引力牵引它们的大质量物体程度。

1935年爱因斯坦就在理论上发现了“虫洞”--也就是由两个虫洞相连的“黑洞”所构成的时空结构中的“豁口”的存在--一条贯穿空间和时间的隧道。也就是说，只要能够建造一个稳定的虫洞，就可以跨越时间和空间。数学家把这种情形称作“多连通空间”（multiply connected space）。但理论家一直未搞清，虫洞仅允许光线通过？亦或飞船也能穿行？到了1988年，美国加州理工学院的桑恩和摩立斯终于得出了结论：虫洞的两端皆可出入，并非像黑洞那样是一种单向通道，只进不出；再者，旅行者在虫洞内仅受到一般的拉力，不像在黑洞中。
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撼动我们对时间认识的第二大发展是量子力学。它是运用于亚原子领域的物理学。量子力学显示，在最微观的尺度下，事物的实质与存在变得很奇怪。比如，两个粒子可以以某种方式“纠缠”起来，这样它们就总会同时运动和变化。对其中一个进行的实验会立即影响到另一个，且不论两者距离多远都是如此。换言之，相距甚远的粒子对能够即时“交流”，这明显与“任何物体都不能超光速运动”及时间本身的概念相左。

但随着这一问题越来越多地为人所知，真正的“时间问题”在上世纪60年代产生了。当时物理学家为结合上面两大理论框架而焦头烂额——它们各自在其适用范围内成功地描述了宇宙：一个是在极小尺度下，一个则是在大尺度下。向着一个囊括一切的“万有理论”（一套规范各种尺度下物质的规则）的探索启程了。其中最知名、但也饱受争议的假说是由两位新泽西的物理学家提出的，他们是普林斯顿大学的约翰·惠勒（John Wheeler）和IAS的布莱斯·德维特（Bryce DeWitt）。惠勒和德维特试着用量子力学来描述整个宇宙——即，他们将适用于小尺度物质的理论应用到大尺度的行星、星系以及其它宇宙结构上。很多人对于惠勒他们的方式是否可行都表示质疑。意大利都灵的意大利国家计量院（Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, INRIM）的量子物理学家马可·吉诺维斯（Marco Genovese）称，这是因为没有迹象表明量子定律能够延伸到宇宙范围中。不过试着联合两大理论的数学表述，看看结果如何的做法起码还是合乎逻辑的。

二人将爱因斯坦的相对论方程与量子力学理论结合后，他们都惊呆了。两套法则本都独立地将时间视为表征事件的一个变量，但在将二者结合后，时间因子在数学方程中被完全抵消。两套方程得出了一套描述宇宙行为的新方程，不过此时在其数学表述中，已经没有哪个量可以标志变化或时间流逝了。吉诺维斯说：“惠勒-德维特方程表明，宇宙是静态的，没有任何东西在演化。不过呢，我们也当然都感觉得到时间与变化。”

宇宙从未变化的结论明显是错的。但物理学家在惠勒和德维特的数学推导中却找不到任何错误。起先，人们认为二人的错误似乎是在于认为整个宇宙都可以用量子的方式加以描述。不过我们还有另一种有意思的可能性，它是上世纪80年代由物理学家唐·佩奇（Don Page，现在在加拿大埃德蒙顿的亚伯达大学）和威廉·沃特斯（William Wooters，在马塞诸塞州威廉姆斯镇的威廉姆斯学院）提出的。

佩奇和沃特斯决定采用一个颇有争议的观点：宇宙整体可以看成是一个巨大的量子对象，服从于电子、质子和其它亚原子世界中的微小粒子所遵循的物理规律。他们设想将宇宙分为两大块，按照量子力学定律，这两块是相互纠缠的。科学家已经在实验中发现，两个纠缠中的粒子具有相同但相反的值。例如，如果一个是顺时针旋转，那么另一个就是逆时针旋转。这样，相加起来整体的这一性质就抵消了。佩沃二人称，按类似的思路，分开的每块宇宙将独立地演化，但因为它们是相纠缠的，一块中的变化会被另一个块中的变化中和。对在其中一块中的某人来说，时间在流逝，但对于一个宇宙之外的观察者来说，整个宇宙是静态的。

尽管佩沃二人基于量子纠缠提出了一个让宇宙在一个从宇宙外部向内窥视的人认为宇宙是静态的理论图景，但却似乎没法证实或证伪他们的想法。不过，到了2013年，吉诺维斯和他的同事进行了一项实验，至少在实验室中验证了制造一个这种宇宙的小型模型的可能。他们仅用了激光器产生的两个光粒子（光子）。实验的目的，是证明可以发生某种情形，让一个量子体系在从外部看时处于不变、而从内部看时却在演化。

在实验中，吉诺维斯检测光子的偏振，即光子振动的方向。如果让一个偏振粒子以一匀速旋转，那么它在任何时刻的指向就能像时钟的秒针那样用来标记时间间隔了。他的团队让两个光子发生纠缠，使它们的偏振处于相对的模式。比如，如果一个的方向是上下振动，另一个就是左右振动。

该团队让光子穿过石英片，使之偏振发生旋转，让光子“秒针”运动起来。转动量与穿越晶片所用的实际时间有关，这给了物理学家一种测定时间的方法。他们多次重复实验，每次都在一个不同的时刻终止，然后测量其中一个光子的偏振。吉诺维斯说：“在测量第一个光子钟时，我们也与它发生的纠缠。也就是说，我们变成了那个小宇宙的一部分，并且能够通过相比我们的光子钟而记录另一个光子的变化。”这样，该团队证实，在测量某光子的对子时，该光子会发生变化。同理，沃特斯和佩奇相信，如果测量宇宙的另一部分，那么这部分的宇宙看上去就在演化。

不过，吉诺维斯仍需证明假设的另一部分：如果从外部检测作为一个整体的纠缠体系，它应该是静态的。在这一部分的实验中，团队采用了宇宙外“超然观察者”的视角。这个外部的观察者不能查看任何一个光子单独的状态，因为这样就会让他也与之纠缠，而变成内部观察者。反过来说，这个观察者只能测量光子对的结合态。团队进行了多次测试，每次在不同的时刻终止。他们将两个光子视为一个结合的整体，测量它们的联合偏振。每次实验他们都确保两个纠缠光子以相同程度偏振，但方式相左。不论实验时间经历多长，两个光子总是保持完全相同的“抱团”。从外部看，这个迷你宇宙是静态的，并且完全不发生变化。它表明，如果时间是量子纠缠的产物，那么惠勒和德维特发现的所谓的“时间问题”就迎刃而解了。

在过去的几十年中，弦论也表现出支持时间本质虚幻这一点的。弦论于上世纪60年代开始发展，用于描述将原子内的基本粒子束缚在一起的强核力。在物理学家研究强作用力的过程中，他们冒出了一个想法，即当时被认为是宇宙中最小物质的亚原子粒子，实际上是由一些振动的“细弦”组成的。

这一看待自然基本对象的新方式产生了影响深远的结果。人们发现弦论对那些像惠勒和德维特那样希望结合广义相对论与量子力学的人非常有用。人们需要这种统一的理论框架来解释大爆炸后瞬间宇宙的样子，此时所有的宇宙物质都被挤压在一个极小的体积内。统一理论可以说出黑洞内核处发生着什么。（黑洞是恒星坍缩的结果：恒星在引力作用下收缩，将其物质压入一个很小的中心中。）

在弦论出现前，物理学家在试图建立广义相对论和量子力学时总是会遇到麻烦。联立后的数学告诉他们，我们身边空间中的无限小空间点内包含着无限大的能量——这基本上就是说我们不管在哪，都被黑洞包围，这显然是错的。但是，弦论则认为任何东西都不能小过弦，因而回避了这个问题。这是说，它的方程无需担心小于这一基本下限的空间区域，这就消除了那些会得出无限能量及其它不可能结果的难缠的数学。有了弦论，超大尺度与极小尺度的物理看来就可以共存了——至少弦论一度是成功了的。

不过弦的大小又引出了关于空间实质、随之又引出时间实质的新问题。这是因为弦论认为，不论如何精心地设计，都没有实验能够向我们展示在小于单个弦的尺度下发生着什么。IAS的弦论家内森·塞伯格（Nathan Seiberg）解释说：“‘在小距离内发生着什么’是一个错误定义的观念——那里空间也许存在，但我们无法测量它；也许那里根本就没有可以测量的东西。”这意味着在某个极限下，空间也许不存在。因为爱因斯坦已经在他的相对论中表示过，时间不过是和空间类似的另一个维度，那么“如果空间概念在小间隔内变得暧昧，那么时间也会如此，”塞伯格如是说道，“人们经常会问：‘大爆炸前都发生了什么？’但我们看到的是，在宇宙创生之时，时间才开始有意义。”

塞伯格指出，这种模糊性让弦论家隐隐感觉时间在基本层面上也许不存在，而我们对时间的感觉可能是由一些隐含的“基建材料”构成的，就像温度是来自一群原子的运动那样。一个单独的原子并不具有一个温度，热和冷的概念只在你测量大量原子的平均速度时才有意义：速度快的粒子团比慢的具有更高的速度。类似地，也许存在某种基本“颗粒”，共同让我们产生了时间体验。但至于这种颗粒可能是什么，呃，塞伯格如是说：“那就是‘六万四千美金问题’了。”

时间，世界基于它运转。但科学家对于时间的本质却一无所知。深入探究，我们竟对我们最习惯的时间如此陌生。它什么时候开始发生，什么时候开始结束？它来自于哪里？我们一无所知。

最典型的案例就是，我们看到几百万光年远的恒星上发生的事情，不是现在发生的，而是在数百年前已经发生了。再第二个例子就是，我们已知速度中，光速是最快的，但是当我们速度越来越快时，空间就会发生扭转，当速度超过光速时，时间就会发生倒流。第三个例子，当我们北京乘飞机向日本飞的时候，和日本乘飞机飞北京的时候，飞行的路程是一样的，但是由于时差的关系，飞行时间各相差一个小时。这就是爱因斯坦曾经论证的，空间移动会改变时间的运行速度。所以说天上一天，地上一年，完全是可能存在的。

从时间来说，时间可能根本不存在，时间也可能无所不在，逝而不逝！