题目

时间是什么?有没有可能"回到从前"或"到达未来"?

提问时间：2020-10-02

答案

有人认为时间就像一根橡皮筋,而其他人认为它是间断性的.如果时间曾经有过开端的话,那就要追溯到160亿年前.让我们一起去看看时间是什么,时间这个如此不规则的尺度是如何作用的.
时间对于住在一楼的人来说比住在顶层的人过得慢,尽管它不足以使里面的人变得长寿.要想使一个人变得年轻些,只需乘坐一架普通的飞机做一次环球旅行就可以了.这是时间效应对所有的人都相同的两个令人难以置信的结果：时间可以延长也可以缩短,这取决于空间、重力和速度.本文将带领读者去探索时间这个外表看起来很亲近但是又很神秘的尺度.
1.时间究竟是什么?
1000多年来,人们一直都在寻找这个问题的答案.比如,在古希腊,时间的定义问题对哲学家的困扰更甚于对数学家的困扰.在伽利略的伟大发现之后,牛顿把时间最终定义为数学上的量.但是,这位伟大的英国科学家认为,时间是一个被神秘气息所覆盖着的客体,因为时间独立于任何物体,在一切之上,是绝对的.时间与圣人是如此接近,以至于上帝被比为一座钟.
爱因斯坦认为,时间一点也不像是大自然里的一条“自由自在的狗”,而是一个实实在在的尺度.即使在今天,我们仍然不能像定义任何一个实际的事物那样给时间下一个定义.我们可以度量时间,但不知道时间是什么,并且还把“时间”挂在墙上或者带在手腕上.根据爱因斯坦的相对论,我们知道时间可以延长或是缩短.这就是物理学家为什么把时间简单地用作确立事件的序列,并且用时间标记它们.比如人的生日或食品的保质期等.
2.时间是像河流一样流动还是有间断的接替?
不幸的是,没有一种理论或者是一项实验能够证实时间是以连续的方式流动还是像一部电影里的每格画面,给人一种连续的印象,即有间断的接替.对时间的连续性或间断性的研究还涉及到另外一个问题,即时间到底有没有开端.对此,至今还没有确切的答案.因为著名的大爆炸理论认为时间—空间有一个开始；而另外的一些科学家则指出,“时间”尺度没有一个瞬间的开始,这是不必要的.这样事情就复杂了.因为根据量子力学的原理,比所谓的普朗克时间(Planck Time)小的时间间隔是不可探知的.普朗克时间单位在秒数量级.所以在一个非常短的时间内是不可能计算出新生的宇宙状态的.总之,就现在的理论来看,有关宇宙的第一声啼哭将永远是个未知数.
现在我们回到时间的“连贯性”上来.奇怪的是它能够以连续或间断的方式流动,但最小的、可计算的时间间隔则与“普朗克时间”一样.总之,时间是一条连续的带子,而物理学家把它当作一条环环相扣的、不连续的项链.
几年前,科学家大卫·芬克勒斯坦因(David Finkelstein)曾经提出过一种理论,但是没有在科学界获得很大的支持.这位物理学家假设时间原子存在.这些时间原子可能表现出了它们的间断性.
3.对于所有人来说,时间是以同一种方式流逝吗?
爱因斯坦的理论表明答案是否定的.实际上同空间一样,时间也是相对的.相对是什么意思呢?即为了完整地而不是模棱两可地描述一个事件,那么这个事件就应该被放在一个参照系里.例如,如果我与某人在路的尽头约会,那么“尽头”对另外一个人来说可能恰好是路的开端.如果我加上“在路尽头后面的广场”,那么这个“约会事件”就准确了.带有时间因素的事情也是如此.如果我说10年过去了,那么我就必须指出,是与哪个参照系相比过去了10年.很明显,在每天的生活里没有必要拘泥于细节.但是谁又知道将来我们会不会组织星际旅行或者与外星人交流呢?到那时,时间间隔就不再这么简单了,就会感到时间的相对性了.
一个有名的例子能够解释这一切.阿尔法(Alfa )和贝塔(Beta)是一对30岁的孪生兄弟,都是宇航员.2000年,贝塔开始乘坐速度为每秒24万公里的太空飞船向距离地球8光年的一个星球进发.以这种速度,贝塔来回单程各需要10年时间.事实是为了达到所要的平均速度,贝塔需要加快速度,而在到达目的地时还要减速.因为他们两个的参照系不再相同,只需改变运动方向我们就可以把阿尔法和贝塔的时间分离开来.当贝塔在2020年回到地球上来时,将看到阿尔法庆祝50岁(老了20年)生日,而这时对他自己来说才刚刚过了12年,他才只有42岁.这不是一个智力测验.时间的伸缩已经被真实的表所测量到.1971年,美国华盛顿大学的哈费勒(J.C. Hafele)和美国海军天文台的理查德·基廷(Richard Keating)两位物理学家作了环球旅行,并且测量了飞机上的4座原子钟.飞机的速度无法和光的速度相比(相差几百万倍).但是科学家们却证实捕捉到了时间的伸缩性：在旅行结束时,飞机上的钟表指示与地面上的钟表相比晚了59纳秒.另外,高度也影响时间的流逝,爱因斯坦的理论表明由于重力的原因,时间离地面越近流逝得就越慢.实际上,在地下室里,时间流逝得要比在楼房顶层慢.有人曾经计算过,在人的一生中,如果是住在一层的话,可以多活一微秒,当然,这对长寿来讲太微不足道了.
4.如果时间是一个尺度,那么为什么不能像在空间中一样前进和后退呢?
在将来和过去的时间中旅行都属于科学幻想.正如奥地利数学家库尔特·歌德尔(Kurt Godel)在1949年所证实的一样,在过去的时间里旅行是不被物理学的法则所禁止的,然而条件是非常特殊的：宇宙要能够转动(这在现实中是不可能发生的),并且时间的追求者必须以大于光速71%的速度移 动.总之,菜谱是有了,但是没有配料.正如物理学家斯蒂芬·霍金所认为的那样,这可能是自然保护自己的一种方式,同时阻止时间旅行就会避免可能带来的悖论,例如会和自己相遇或者是改变历史一类的现象.
5.黑洞是否真的是时间机器呢?
黑洞所提供的可能性之一是,在通过了一个时空隧道后落入它们之中,并且重新出现在过去.隧道是什么?有各种各样的假设,从抗重力到对映世界,再到宇宙更替.虽然假设众多,但没有一个是可行的.只需想一想黑洞超强的引力就够了：时间就像一根皮筋,最后被拉长,而在这种情况下要想活着出来是毫无希望的.时间是一个永久的话题,人们仍在不断地探索和尝试其他的方法.
参考资料：科学世界杂志
名人对时间的看法:
圣奥古斯丁∶『说起时间,每个人都晓得它代表什麽意思,但究竟什麽是时间?如果没有人问我,我一清二楚；如果要我说明 ~ 那我就不知道了』!
牛顿也曾解释过『时间』∶『时间是不受限制的,无论宇宙存在与否,时间都运行无碍』.
莱布尼兹推翻了牛顿的说法,他认为∶『时间仅是事件的顺序；它本身并不存在』.
爱因斯坦也赞同莱布尼兹的论调,他说∶『一旦与人类评估的事件分开,时间即无法单独存在』.
而在字典上是这样解释的∶『时间是从过去、现在到未来,一连串事件接续而成的连续体』.
这样看来相对论中的时间变慢似乎并不成立,因为时间根本就不存在.
在广义相对论中,由于时间和空间在公式中表达的方式,使实际谈论时间的创生成为可能.麻烦的是,在经典理论中,当空间和时间“开始形成”时,实在的点本身是数学中的奇点,数学失效了,所以它不能给你一个创生论.你在传统的宇宙论中所能说的是,存在许多不同的可能宇宙,它们所有都和爱因斯坦方程式相符合.我们恰巧在这个宇宙中生活的事实,毋宁说纯粹是出于偶然.你不能赋予任何理由——甚至在原则上也不能.你所能说的一切是条件陈述：假定宇宙在这一时刻处在这个状态,则它在以后的时刻将处于那个状态.它是条件性类型的演化.
然而,当你谈到虚时间,就有一个奇怪的可能性,也就是“现在”不一定要有一连串的过去时刻.如果我们从现在这一时刻往过去回溯,在很长的时间内一切都完全正常地进行,甚至在虚时间中也是如此.只要你使用这个唯象的时间,看起来就像你在通常时间里回溯过去.
但是随着你往以前退去,越来越接近传统的实时间图像中变成原点之处,你就发现时间的性质在改变,复的或虚的变得越来越有份量.最后,在经典理论中应该是奇点的东西被抹平了,你就得到这张漂亮的图画,这些碗状的宇宙创生图像.那里没有起点,只是某种光滑的形状.
哈特尔和霍金所发现的是,如果你假设,宇宙在虚时间里的过去历史图像是所有可能的、恰好和我们现在时刻字宙相符的这类形状、而你多多少少用传统量子力学方式来解释之,至少在原则上你会得到整个宇宙唯一的波函数.
这样,你就得到了这个没有过去的美妙图画,宇宙根本不从任何东西产生出来.因为它是一个自洽的数学结构,所有你真正能说的是宇宙存在.和从某点创生宇宙的图景不一样,这宇宙没有过去,因为没有任何它在其中创生的东西.
如此,宇宙从“无”中创生的说法,实际上有一点用词不当；这是词汇“无”的误用.它不只是指在空虚的空间中出现宇宙,你也许可以把这空间称为“无”：因为甚至连创生事件也不存在,所以根本不存在任何东西!
在这些理论中,动词过去时态的使用变成不恰当.当然,在人们相信实时间时就建立了时态.不幸的是,我们还没有在虚时间中表示时态的语言形式.因此,在这层意义上,说“从无中创生”肯定是误导的.它对于这个在预先存在的时间中忽然出现的宇宙图像很合适,可是它并不是哈特尔——霍金态的贴切描述.
史蒂芬·霍金
为了预言宇宙是如何起始的,人们需要在时间开端处也能成立的定律.在实时间内只存在两种可能性：或者时间往过去回溯直至无穷,或者时间在一个奇点处有一个开端.人们可以把实时间认为是从大爆炸起到大挤压止的一根直线.但是,人们还可以考虑和实时间成直角的另一个时间方向.这叫做时间的虚方向.在时间的虚方向,不必要任何形成宇宙开端或终结的奇点.
在虚时间里,没有科学定律在该处失效的奇点,也没有人们需要在该处乞求上帝的宇宙边缘.宇宙既不创生也不毁灭结束.它就是存在.
也许虚时间才真正是真实的时间,而我们称为实时间的仅是我们的想象.宇宙在实时间里各有一个开端和终结.可是在虚时间里,不存在奇点或边界.因此,也许我们称为的虚时间是真正更基本的,而我们叫做实时间的,只不过是我们发明的观念,用来帮助自己描述我们认为的宇宙的样子.
基帕·索恩
宇宙如何终结存在两种基本理论.一种是开放宇宙的观念,它会继续演化,不会突然终止；事情仅仅是缓慢下来,并且按照热力学第二定律到达热死.另外一种是闭合宇宙的观念,它会停止膨胀,而且会向自身坍缩回来,这有时被称作大挤压,像是大爆炸,只不过在时间上颠倒过来就是了.
詹姆·哈特尔
虚时间中的词“虚”不是指想象：它是指数学中非常古老的观念,也就是虚数,譬如-1的平方根,理解这一点非常重要.对于一位给定的观察者,空间和时间当然是可区分的：我们用尺来测量空间,用钟表测量时间.爱因斯坦和赫尔曼·闵可夫斯基在本世纪初指出,不同的观察者的空间和时间概念,只不过是同一个统一的空间——时间观念的不同方面.空间——时间是四维空间几何,它有某些类空间的方向和某些类时间的方向.所以就一定意义上来讲,在那里空间和时间概念仍是可以区分的.
尽管那种观念具有巨大威力,在统一这些概念方面仍然可以走得更远些.如果你用虚数来测量时间方向,那你就得到了空间和时间之间的完全对称,这在数学上是非常美妙和自然的观念.无边界设想就是利用这个数学的单纯化,导致所有可能的宇宙的初始条件中的最简单的理论.
但是,人们不应认为日常经验中可以直接体验到虚时间.它是一种用来表达物理方程式的美丽的数学观念,同时在此情形下,它是一个解释宇宙初始状况的特殊设想.
当·佩奇
霍金的奇性定理指出,爱因斯坦的广义相对论和一定的观测相结合,意味着宇宙在开端处必须有一个奇点.如果你向时间过去回溯,到达某一点就不能再过去了.我们通常将此视为时间的起点.
这扰乱了许多假定宇宙为无限古老的人.霍金的思想指出宇宙有一个开端,有人觉得,这符合创世纪所描述的宇宙在时间中创生；虽然其他神学家说,上帝创世并不见得就发生在我们的时间里.
上帝也许可以创生一个无限宇宙,但是霍金的思想隐含着时间有一个开端.现在,我们当然知道,爱因斯坦理论在非常接近于那个开端处不能成立.所以我们知道,该理论本身在那里失效.那就引起了这样的可能性：即也许宇宙是无限古老的,或者也许是别的什么样子的.
现在许多人——包括我自己以及我认为连霍金都觉得时间概念本身在接近开端处失效,因此谈论开端之前是什么并没有意义：在此之前是否有无限的时间呢?还是只有有限的时间?宇宙是否有一个时间上的绝对开端呢?由于时间观念本身在这些极早的时刻并没有多少意义,所以那些问题有些是没有什么意义的.我们能肯定的是,就我们所知,时间有一个开端,可是这开端有一个点,一旦超过那一点,我们标准的时间概念就失效.
在哈特尔——霍金的无边界设想中,宇宙开端的方式是：时间的行为非常滑稽：在技术意义上时间是虚的.这样时间没有边缘,你似乎有一个地球的表面.譬如说你从北极出发,沿着经线往外走.这些经线的确从北极散开,北极是完全规则的.
这就是霍金的宇宙图像：这个虚时间既没有开端也没有终结.它没有必要永远前进.它是有限的,如同地球只有有限的面积一样.在地球上不可能永远继续向北走下去.由于你可以走到最北的一点,在某种意义上,你会走到尽头.但在另一种意义上,在那里并没有真正的终点.
因此,霍金说,宇宙在开端处没有边界,所以宇宙是一个自足的整体.他还论断道,上帝实在没有必要去启动宇宙：宇宙能够自身存在那里,不需要上帝去创造它.
史蒂芬·霍金
许多人相信,上帝允许宇宙按照一套定律来演化,上帝并不干涉演化的过程促使宇宙触犯这些定律.然而,仍然需要靠上帝去卷紧发条并选择如何去启动它.只要宇宙有一个开端,我们就可以设想有一位造物主.但是,如果宇宙确实是完全自足的,那还会有造物主的存身之处吗?
当·佩奇
还会有造物主的存身之处吗?上帝是否创造宇宙的问题和宇宙是否有边缘并没有直接关联,尽管许多人认为是相关的.它们实际上是不怎么相***.
例如,我在一张纸上画了两条线.这条直线有两个端点：如果我想象时间以那种方式前进的话,则你可把这一个端点称为起点,那一个端点称为终点.如果时间沿相反方向前进,则情况就变相反,这一个端点称为终点,那一个端点称为起点.你可将此当成宇宙的一个模型,一个具有开端和终结的宇宙.
这个圆圈表示另一个宇宙.当时间前进时,在某种意义上存在一个最早的时刻；可是如果你沿着这圆圈的线,该线没有终点,它只是不断围绕着.
但是,我自己画了这些线,所以在某种意义上而言,我创造了它们.但是它们是否有开端或终结,对我是否创造了它们的问题毫无影响.
我认为宇宙的情形是类似的.在霍金的旧模型中,宇宙具有一个开端,也许还有一个终结.新模型更像这没有开端和终结的圆圈.在某种意义上它有个最左的端点；这样你能说有某种像是最早时刻和最晚时刻的东西.但是,就更技术性的意义来说,既不存在开端也不存在终结.而且这两种都可以由上帝来创造.我们必须先有信仰,才能问它是否由上帝创造的问题.这是科学既不能证实也不能证伪的事体.
我想,霍金在他的书中小心避免公开直截了当地说没有上帝.他仅说：还会有造物主的存身之处吗?然而我想他希望人们从这里得出何种结论是十分明显的.