本文转载自公众号“新发现杂志”（ID：sciencevie）
时间存在吗？你可能会对这个问题嗤之以鼻：“当然喽，时间肯定存在！否则的话，闹钟不会大清早把我从被窝里拉出来，一节课不会要上45分钟，老爹老娘不会一把年纪，而我也不是黄毛小子……”
的确如此，时间在流逝，我们需要承受其加诸于我们的效应。那么，何谓“时间”？是小时吗？早在4000年前，埃及人和巴比伦人就依据太阳在空中的运动轨迹——这其实是地球自转造成的表相——将一天划分为24小时。
直至1960年，1秒都相当于平均太阳日的1/86400。可是，问题出现了：这意味着地球一直在匀速转动。然而，事实并非如此。随着观测和测量技术的昌明发达，天体物理学家意识到，地球的自转速度不是一成不变的。在月球引力的作用下，地球的自转速度平均每个世纪减缓0.00164秒。微不足道。
不过，经过数个世纪的积累，一天会变得越来越长，每秒的长度也将因此而改变。麻烦喽……你能想象1米随时间推移变成1.01米、1千克变成1.2千克吗？绝对不行！为了精确计量时间，1秒在任何时代都应该是1秒！物理学家开始着手寻找某种固定持续1秒的现象以解决难题，它必须完全稳定，和地球自转没有任何关系。于是，到了20世纪60年代，1秒变成了“铯-133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周”。
人们根据原子振荡来定义1秒的长度。激光刺激下的锶原子比目前的官方标准铯原子钟更精确。
换个简单说法，就是……当你向某个原子，比如铯-133施加能量，它会立即吸收，并以电磁波的形式再将能量释放出来。这种电磁波可被视作一连串在水面扩散开来的波浪，有波峰和波谷。好了，当你数完9192631770个波峰和波谷，正好过去了1秒。鉴于原子不会随时间改变特性，1秒的长度从此恒定不变。
跟随原子的节奏
但是，这个定义能具体告诉我们时间是什么吗？不能。举例来说，当我们使用米尺来计量木板的长度，在得到数值之前，我们的双眼就能直观地感知到长度。当我们说到某个物品的质量，我们清楚地知道物品的质量取决于其构成物质。
可时间呢？它看不见摸不着。那么，我们测量的是什么？虚无。无论我们的参照物是地球自转抑或表针转动，我们只是在不同的时长之间比较。假如洗碗时，手表的分针移动了1/6圈，我们能推断出用了10分钟；假如午睡时，太阳在空中偏移了15°，那就说明睡了1小时……无论何时，我们总是通过对比另一种运动来评估一个行为的用时。
我们看见表针在动，于是我们说“这就是时间”……但在物理学家看来，这显然不够，他们希望“看见”时间，比如构成时间的基本粒子，就像他们已经捕捉到的“产生”质量的希格斯玻色子。
在大型强子对撞机观测到的因质子碰撞而产生的希格斯玻色子候选事件：上方的紧凑渺子线圈实验展示出衰变为两个光子（黄虚线与绿实线）的事件，下方的超环面仪器实验展示衰变为四个μ子（红径迹）的事件。
只不过物理学家越是想要确定时间，后者就越是不可捉摸……“时间不可捉摸？怎么会，至少有些概念是我们确信无疑的，比如，过去现在和未来……”你真的这么以为？那就来谈谈现在吧。所谓“现在”，就是你念出这两字的当时当刻，而这一刻似乎放之四海而皆准，你是这么想的吧？但你会发现事情没那么简单。
举个例子吧，比如你想知道“此刻海王星上发生了什么”。很难精确回答这个问题。
这样说吧，假设在这颗距离太阳45亿千米的气态巨行星的卫星上，人们建立了基地。驻扎在那边的朋友和你用超现代的Skype保持联系。只要他愿意，你就能在他的房间里面看见他。他也如此。
时差
早上9点，你到达自己的房间，打开电脑，想知道你的朋友同一时间在干嘛。电脑屏幕上，你看见他坐在床上阅读。由此得出结论：在你打开电脑的同时，你的朋友正在看书。那么他一定也能看到你的即时所为吧？
同一时间，如果你的朋友放下书本，坐在床上望向电脑，他会看见你来到电脑前面吗？不会。他会看见你的卧室一片漆黑。
光线从地球抵达海王星需要 4 个小时，因此，你在地球上看见海王星卫星上的朋友，那已经是 4 小时前的他了。同样的，他看见的也是 4 小时前的你！所谓“现在”，着实难以定义……
这很正常：现在是凌晨1点，你当然在呼呼大睡。凌晨1点？没错，因为信息传递也需要时间，而速度不可能超过光速（略小于300 000千米/秒）。图像大致用了4小时才走完从地球到海王星的距离。
因此，早上9点你看见的关于你朋友的图像，其实4个小时之前就已经摄录下来。而在你的电脑屏幕上，你看见你的朋友在看的关于你的影像更要早上4个小时。两个4小时，就是8小时的时差。好一个同时啊！由于距离这个因素“作祟”，三个不同的时刻同时存在于所谓的“现在”中。对于一个“显而易见”的概念来说，这也够尴尬的……
各有各的时间
这还没完。距离不但妨碍我们定义一个共有的现在，而且不同星球上时长还不一致！这是爱因斯坦的重要发现之一，他的狭义相对论对此进行过论述。
假如你乘坐高速飞船绕月球飞行，飞船上的你会觉得时钟的运动一切正常。你地球上的亲人也有同样的感觉。只是……当你返回地球后，他们会劈头盖脸地骂你：“你不是说只去3天嘛，怎么走了一星期！”你表示抗议：“没有啊，就去了3天啊！”
怪事出现了！你们拿出各自的手表来证明，手表证明你们都没瞎说……对于你的亲人和你而言，时间都在正常流逝。可是，时长并不一样。这是怎么回事？因为你的运动接近光速，导致手表不再同步运转。想要弄明白这等怪事，只要读一下光子钟的内容就行，你就会发现真相并不神秘。
此外，看过《星际穿越》的读者已经知晓有时间膨胀这么回事，这是电影中的一个重要设置。
在 电 影《 星 际 穿 越》中，主人公库珀和布兰德在一个接近黑洞的星球上滞留了几分钟才返回远处的飞船。踏上飞船后，他们发现同伴老了 20 多岁！时间膨胀简直是骇人听闻。但这次并不是速度扰乱了时钟，始作俑者是引力。根据爱因斯坦的广义相对论，可以把引力看作是空间和时间的扭曲。
因此，即使能和海王星建立实时联系，但由于星球转速不同，还是会引起时差。爱因斯坦曾证明，处于相对运动中的两位观察者是无法在“同时性”这个概念上达成一致的。
当然，狭义相对论的结果只有在接近光速的条件下才能感知，绕太阳转动的地球和海王星并不属于此种情况。实际操作中，我们能够在海王星和地球之间营造某种“同时性”，但只是近似，在物理学家眼中离正宗的“同时性”差得远呢。
所以说，所谓存在一个巨型的万能钟表，能够统一地为仙女座星系（距离我们250万光年）和银河系计时，从而为所有人定义出“过去”、“现在”和“未来”，这是想得美。
仙女座星系
没有普世的时间，时间因人而异。只不过在宇宙某个小小的角落，在我们地球上，相对论的效应微乎其微。我们由此产生错觉，以为普世的时间真的存在，这只是因为我们对这个问题钻研得还不够深入……
没有过去和未来的粒子
方才的太空之旅稍稍改变了你对时间的认知？别指望向物质核心的漫游能带来更舒服的答案！原子核里的质子会听见时间的滴答声吗？
不会……时间之河从它们身上流过，就像水流掠过鸭毛，不留一丝痕迹。质子不会衰老。质子不会死亡。保守估计，它有10^33年寿命，远高于宇宙的岁数。围绕质子运行的电子也是如此，它们是永恒的。时间不会对它们造成影响。
质子夸克结构的简单示意图，每个单独夸克的颜色可以随意设定，但是必须用到三种不同颜色，混合成为白色。
好吧，老实说，这些都是例外。很多粒子有生命年限，从万亿分之一秒至数个小时，此后便衰变成其他粒子或纯能量。啊！总算有看似正常的现象了……也只是看似而已。因为粒子和时间的关系有点活络。它们会轻而易举地把“过去”和“未来”搅成一锅粥！想象一下倒放电影的情形，你立马就能明白是怎么回事。
当物理学家观看他们最为钟爱的“大片”之一——质子碰撞时，他们可以从结尾看到开头，也能从开头看到结尾，毫无难度。根据物理法则，只需满足一项条件：倒放的电影应透过一面特殊的镜子来观看，这镜子不仅能倒置影像，还能颠倒其量子特性，从而使其和正向播放的影片一模一样。
对于我们而言，即使是在镜子中，倒放的电影也是无法理解的。但在粒子物理学的范畴中，时间能够向不同的两个方向流逝。你将发现这个理论能带着我们走很远。你听说过反物质吧？每个粒子都拥有其反物质：相同的质量，但电荷（以及其他量子特性）相反。反物质粒子就像是粒子在“特殊”镜子当中的倒影。
尽管让反物质变得家喻户晓的是《星际迷航》（柯克船长的“进取”号飞船正是用反物质作为燃料），但它其实真的存在！
星际迷航海报
正电子作为电子的反粒子已经多次被探测器探察到。然而，反物质和物质的一大特点是：两者无法共存。正电子和电子一旦相遇就会消失，转变成两个光子。
乱七八糟的时间
不过这次“相遇”还有另一种诠释方式：电子碰到的不是正电子，而是在时间中逆行的光子！整个过程就像是两个粒子交换了各自的行进路线。
逆行的光子于是沿时间之河而下（这不会改变它的属性：光子正是它自己的反粒子，根本无法区分一枚时光倒流的光子和一枚沿时间之河而下的光子），而电子则开始沿时间之河回溯而上。在我们的眼中，它就是和电子质量相同的粒子，但所有特性正好相反，也即所谓的正电子，电子的反物质。
关于反物质的这一阐述解释了为何所有粒子都有自己的反粒子，质量相同，特性相反。因为每颗粒子都有可能撞上某颗回溯时间的光子，自己也逆时而行。不过你要明白，这只是对反物质的一种解释，甚至连一些物理学家也觉得荒诞不经呢。
管他呢。从纯数学的角度来看，当我们用方程式描述粒子和反粒子的相遇，时间的流逝就没有了偏向性，过去和未来没有任何意义。
面对此类怪相，有些物理学家甚至怀疑起时间的存在来！目前物理学的一大重点是要调和广义相对论和量子力学，前者描绘引力所主宰的宇宙，后者描绘粒子世界。相对论于粒子一窍不通，引力也完全无视量子物理法则。因此，物理学家致力开发一种替代理论，能在微观物理与宏观物理之间达成统一。
这是欧洲粒子物理研究中心（CERN）大型强子对撞机拍摄的照片，两个铅原子核相撞迸发出粒子束。这些粒子有的能永恒存在，有的还能回溯时间。
这一努力暂时还未能获得成功，但有些思路似乎前景可观。其中之一就是圈量子引力论。看它的名字就知道它有多复杂，三言两语没法说清。但该理论关于时间的观点让我们颇感兴趣。很简单：时间根本不存在，幻象而已！
研究该理论的科学家试图重写物理法则，在他们的方程中去除时间变量t。截至目前，没有迹象表明他们会失败。时间来日无多了……
巨大幻象？
时间，幻象？难以相信，因为这个“幻象”使我们的生活井然有序。幻象从何而来？一个简单的实验能给我们一点提示……拿一个放满水的玻璃杯，往里面滴一滴墨水。起初，你能在透明的液体中间看见一滴墨水。墨水渐渐化开，很快，整杯水变成了墨水的颜色。
墨滴最终完全融入水中。此刻，熵（墨水加清水这一系统的混乱）达到了最大值。熵不会减弱，因此我们以为有“之前”和“之后”之分，从而感到时间流逝。
这个实验，你可以重复做上10次，最终你都会得到一杯墨水的稀释物。从单个分子角度来看，墨水没有“理由”混合入水中。没有一条物理法则会强迫分子混合。不过热力学第二定律倒是认为，一个独立系统（此处是指清水加墨水的杯中物）会自发地演变成一种平衡状态，更加稳定，也更加无序。
用物理语言来解释就是“熵”增加了。没听过这词？记住喽，“熵”是指某个系统的混乱程度。对啦！混乱是可以测量的……那也就是完整地描述一个系统所需的信息量。信息量越大，越是混乱。
熔冰——増熵的经典例子
假如你的卧室里只有一张床，一个衣橱，一张书桌，你能轻而易举地向你的小伙伴描绘卧室的布局。与此相反，如果床没铺好，臭袜子乱丢，书本随便摊在书桌上，那你要提供更多的信息才能让你的朋友对你的卧室有精确的印象。后一种情况“熵”更高。
根据热力学定律，所有独立系统的熵会自发地增长。这就给时间安上了“方向的箭头”……单向箭头哦。对喽！熵会让某些经验变得不可逆转，这就能定义过去和未来了。比如墨水滴绝不会在水杯中重新聚合。
理论上来说，没有什么能阻止墨水分子重新聚合。但就总体来看，墨水分子绝无机会再聚为墨水滴。相较于泾渭分明的两种物质构成的某系统，混合物总是更难描绘。重新聚合墨水滴意味着减少系统里的熵，这是不可能的事儿！简直是闻所未闻。你可以整理干净你的卧室，减少卧室的熵。可你一旦介入，卧室就不再是一个独立系统。
你整理房间的努力也在释放能量，放出热能，于是增加了整个宇宙的熵。最终，整体熵的增加会抵消局部熵的减少，两者无法割裂开来。所有系统都在向混乱发展。古老文明的废墟就是明证……
混乱避无可避
你在不经意间可能注意到了，熵的介入只是用来描述充斥各种粒子的复杂系统，而在单个粒子的层面，熵没有了意义，所以说粒子似乎逃脱了时间的魔爪。那我们呢？作为复杂系统，我们当然要承受熵的效应。
然而，你可能会问：鲜活的生命体就是一个小小的奇迹，竟然能将各种细胞、器官组织得井井有条，和混乱风马牛不相及嘛！可是注意喽，别忘了熵的精确定义：熵的增加是针对独立系统。如果完全隔离一个有机体，没有食物，没有呼吸的气体，它就会死去、分解……这不就是混乱的表现嘛！
我们能够维持机体的秩序，是因为持续不断地通过空气和食物获得能量。我们限制了身体内部的熵，却增加了整个宇宙的熵。我们的躯体会不由自主地屈服，渐渐失灵，直至死亡。熵最终击败肉体，迎来胜利。我们感受到的时间不是钟表发出的滴答声，而是这场注定失败的抗争：我们的机体无法对抗混乱。
撰文 Fabrice Nicot
编译 黄雅琴
来源：新发现杂志
编辑：Quanta Yuan
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