《科学世界》：时间是什么

　　中国科学院理论物理研究所

　　“时间是什么？”这个已有2500年历史的古老问题的答案随着科学的进步而不断深化。2500年来，不断有哲学家和科学家回答这个问题。存在决定意识，所以他们的回答都必然带有时代的烙印。我们对这个问题的答案也同样逃脱不了现在这个时代的烙印。

　　对于“时间是什么？”这个问题，让我首先感到疑惑的是这个问题本身想要问的是什么。这使我联想到中国古代战国时期公孙龙关于“白马非马”的命题。虽然这个命题跟时间的命题大不相同，但是在逻辑方面却有类似之处。

　　现在的科学知识告诉我们，时间、空间、物质及其运动是不可分割的：没有离开物质而独立存在的时间和空间，同样也不会有离开时间和空间而独自存在的物质及其运动。时间和空间就像质量和能量一样，是物质的基本属性。

　　2500年来，对时间的所有回答都与空间和具体的物质及其运动密切联系。时间体现在宇宙中一切事物的运动和演变之中。无论是单摆钟、天体钟还是 机械钟、原子钟，它们都是用物质作为基础，并且都离不开空间和在空间中的周期运动。时钟除了作为其他事物的计时器外，它们本身都包含在“时间是什么？”这 个问题的答案之中，但绝不是答案的全部。我们只能从各种不同的物质事件来不断深化我们对时间的认识，却不会有认识的终结，也就不会有最终的答案，就像时间 没有终点一样。

　　“时间是反复的次数”这种过于简化的答案是把时间跟时钟等同了起来。动植物的老化、岩石的风化，以及宇宙的演化都没有“反复的次数”，但都是在 时间中进行的。用来作为时钟的物理客体其物理过程应当具有最稳定的周期性，用它们的周期作为时间单位来度量其他物质运动和变化的时间流逝。但是前一个周期 和随后的其他周期完全一样(也就是时间流逝的均匀性)只能是假定而不能去严格验证；具体地说，我们无法证明钟表所读秒数之中的这一秒和下一秒严格相等。当 然，在实际当中我们可以通过比较不同时钟的周期稳定性来选择具有更为稳定周期的时钟作为标准钟去判断(度量)其他物质运动和变化过程的流逝和均匀性。

　　关于时间箭头问题，几百年来列举的事例包括了不可逆过程、热力学中的“熵增加原理”、宇宙的产生和演化等等。但这些也只是事例而非时间箭头的最 终答案。试想，“时间究竟是什么？”这个问题还没有完全的答案，它的箭头问题能有最终答案吗？把箭头问题换成因果性问题来看，对于不可逆过程，“因”和 “果”都是确定的而不能相互调换。可是对于化学反应中的可逆过程，正过程和逆过程的“因”和“果”就是互换的。时间的度量需要标准时钟以及对时间均匀流逝 的假定；空间的度量需要标准尺以及对空间均匀性和各向同性的假定。但是标准时钟和它的均匀流逝的假定、标准尺和空间均匀各向同性的假定是无法严格验证的。 时间的箭头是否也需要一个标准的时间箭头呢？如果需要，那么我们怎么去证明这个标准的箭头性就是时间的箭头呢？

　　现代理论中的时间定义多种多样：既可以有也可以没有时间反演的不变性；时间既可有也可以没有一个起点；时间既可以是连续的也可以是分立的(可以 存在最小单元)；时间可以只是个数学参数(包括虚数)也可以是物理时间；三维空间和一维时间只是四维空间中的不同维度；时空也可能是高于四维的，例如10 维或11维，而且高于四维的额外维度也可能在物理的四维时空中有观测效应；等等。所有这些理论尝试只有被物理实验反复证明之后，它才能被公认为具有相对真 理的物理理论。否则它就只具有数学上的意义而没有物理意义。因此，谈论还没有被实验证实的那些理论中的时间如何如何，是没有实际物理意义的。

　　总之，“时间是什么？”这个问题还要不断问下去，科学实践也会不断地给出更深入的回答。这个过程可能像时间一样永不终结。

　　张元仲为中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师，任中国《物理》杂志副主编、英国《经典与量子引力》杂志编委、国际纯粹与应用物理联合会 天体物理委员会委员。理论研究领域为相对论、引力理论、宇宙论等。出版中文专著《狭义相对论实验基础》、《Special Relativity and Its Experimental Foundations》、《Lorentz and Poincare Invariance--100 years of relativity》。发表学术研究论文100余篇。

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“时间”是什么？

2000多年前，孔老夫子在岸边看到河水没日没夜流个不停，感慨时光如流水，奔腾不息，一去不返，《论语》中留下了这样的记载：“子在川上日：‘逝者如斯夫！不舍昼夜’。”

“时间”是什么？这个概念似乎每个人都清楚得很，但实际上却未必如此。

很久以前古人就已经意识到，有些事物的存在很短暂，如天上的白云苍狗，有些事物的存在长得不可思议，比如天上日月星辰，从古到今都是同一个模样。也许就是因为观察到了事物运动变化的长短差异，才让古人们产生了“时间”的概念。

古人们发现，计量时间的最好办法，是找到一些以固定的周期循环变化的事物来做参照。于是不管在地球上的哪一个角落，人们都不约而同地采用了同样的解决方案，那就是把一个春、夏、秋、冬四季轮回称作一年，把一个朔望月的循环称作一月，把一个昼夜交替称作一日，现在我们知道那分别代表着地球绕太阳公转一周、月亮绕地球公转一周和地球自转一周。

为了准确计量时间，古人发明了“日晷”、“漏壶”等计时工具。后来随着技术的进步，出现了更精密的仪器——钟表，现在最精确的原子钟，2000万年内误差不超过1秒，可见人类对于时间的把握，已经达到了何等精准的地步。

到了这一步，人们对于时间的认识似乎已经是毫无悬念了。

然而事实果真是这样吗？不，对于时间，人们其实还存在着一大堆的疑问。

从常识上看，事物总是有开端的，那么时间是从什么时候开始的呢？大爆炸理论说宇宙诞生于137亿年前，那么时间就是从“奇点”开始的。

但在奇点之前呢？奇点之前的时间是怎样的？时间起始之前还有时间吗？

在以往人们的印象中，时间是在均匀流动着的。假如把宇宙演化比作是一场规模宏大的电影，那么它的播放速度是恒定的，而且停不下来。

但 爱因斯坦的相对论打破了这一观念。相对论表明，物体的运动速度越快，或者引力场越强，它的时间流速会变慢。你能想像吗？宇宙飞船上的时钟“滴答”一下，和 地面上的时钟“滴答”一下，它的时间长度是不同的！假如你乘坐接近光速的飞船去茫茫宇宙中探险，10年后回到地球时，地球上有可能已经过去几千年了！

宇宙演化的这场电影原来不一定是匀速播放的，它可以慢播、快播，甚至还可以按暂停。这一事实大大出乎人们原先的意料之外，也就不由地会想到一个更深层次的问题：它能不能倒播呢？那可不可以返老还童呢？时间的控制按键掌握在谁手里？时光能够倒流吗？现代科学无法回答。

最神秘莫测的科学理论

要说哪一种现代科学理论最神秘莫测，“量子论”假如排第二的话，没人敢排第一。

量子论研究的是微观粒子世界中的现象。这一理论的核心内容，主要包括海森堡的“不确定性原理”、波恩的“概率解释”以及玻尔的“互补原理”。它们都是如此的诡异，能彻底颠覆你对世界的认知。

在学习中学物理时，一般会碰到这样的题目，告诉你炮弹的初始位置在A点，初始速度是V，初始射角是θ（这些统称为炮弹的初始状态），让你计算在时间T之后，炮弹会在哪个位置，速度是多少。

这个题目充分反映了经典力学对于世界的认识。它认为任何事件都有前因后果，这种因果关系可以用科学定律来描述。我们只要知道了“初始状态”，根据科学定律和方程，就可以预测事情的经过和结果。

然而这个题目在量子论中却根本不成立。经典力学眼中的世界是确定的，任何事物都有确定的状态，比如一个篮球，在每一时刻都有确定的位置和速度。但在量子力学中，海森堡的“不确定性原理”说，粒子不可能同时具有确定的位置和速度（通常说动量），最多只能确定其中之一。它表明，粒子根本就不像篮球那样，有确定的初始状态，粒子世界完全是一个不确定的世界。

波恩的“概率解释”同样令人吃惊。波恩说，在粒子世界中，我们没办法像预测篮球的运动轨迹那样，根据物理定律来预测粒子接下来的行踪。粒子最终会出现在哪里，这完全是随机的，我们能够确定的只有概率。想通过计算来确定粒子的踪迹，并不比用掷骰子确定来得更准确。

爱坦斯坦对此十分反感，他说：“量子力学令人印象深刻，但是一种内在的声音告诉我它不是真的……我毫无保留地相信，上帝是不掷骰子的”。但现实又跟他开了个玩笑，后来的事实一再证明他完全错了，上帝确实在掷骰子。

假如前面这些说法已经让你难以接受，那么还有比它们更恐怖的，就是玻尔的“互补原理”，它居然认为世界是由意识决定的。

玻尔说，粒子的状态非常奇特。它有时候是粒子，有时候会变成波，这叫“波—粒二重性”。转换的关键在于意识，当你观察它时，它就变成粒子呈现在你面前；当没人观察它时，它就变成波弥漫于整个空间。

这段话要怎么理解呢？波是虚无飘渺的东西，不是实体，而粒子却是实在的点状物体。“互补原理”的意思是说，当没有人看粒子的时候，它就不是实在的东西，而是幽灵般的波；但当你一睁开眼睛，所有的幻影立刻消失，它马上变成一个实在的粒子，让你能够看到它。

这还能算是科学理论吗？它简直就是《聊斋》中的鬼故事！

量子论过于惊世骇俗，不可避免地引来了无数的攻击，然而那些设计来否定它的实验，却无不更加证明了它的正确性。现在许多物理学家们，已经只顾埋头享受量子论带来的现实好处，再不去管它背后那令人毛骨悚然的哲学意义。

我们眼中的宏观世界是由粒子组成的。如果每一种粒子都是有人观察时才是实在的，没人观察时就只是一种虚幻的波，那么由它组成的整个世界应该也是如此。这意味着什么？难道真像乔治·贝克莱主教说的那样，“存在就是被感知”，世界是因为我们的存在才变得真实的？

有人用调侃的语气很好地描述了这一问题：“当我们不看它时，月亮是不存在的”。

难道世界真的只是个幻境，是意识决定的，世界就存在于我们的意识之中？现代科学无法回答。