時間是否真實存在呢?如果你嘗試線上搜尋,大多數結論可能會告訴你時間並不存在。
關於時間存在與否的問題,其實並不純屬於物理學的討論範疇,而更多的是關於語言的廣義解釋。
當我們在物理學中經常遭遇像光速恒定、時間擴張、量子纏結這些違反直覺的概念時,我們可能會逐漸習慣於接受這些概念,因此,面對「時間並不存在」這種看似荒謬的觀點時,我們也可能不以為然。本文將在接下來十幾分鐘的閱讀中幫助你重新思考,向你說明,有時候直覺也許是正確的,時間確實是存在的。
在深入探討時間的本質之前,讓我們首先考慮時間的起源。現代物理學告訴我們,時間源於宇宙大霹靂,也就是說,在宇宙大霹靂之前,時間是不存在的。宇宙大霹靂的那一刻似乎不可避免地帶來了時間的單向流動,且這一流動是不可逆的。
在大霹靂之後的宇宙中,僅存在以光速執行的基本粒子,例如光子和膠子,對它們而言時間是靜止的,也就是說,對於這些粒子來說時間是無意義的,它們的生命就是瞬間消逝。因此,要讓時間失去其意義,不是回到大霹靂之前的狀態,就是存在於以光速行進的基本粒子中。這兩種情況從本質上來看都是靜態的。
因此,時間的概念本質上與變化密切相關,只有存在變化,時間才存在;如果沒有變化,時間也就無從談起。
但是需要註意的是,宇宙中的任何事件都不會存在於絕對靜止狀態中。
即使是宇宙深空中看似完全空曠的地帶,也存在著宇宙背景放射線和量子漲落,宇宙並不存在絕對的真空狀態。所有區域都在經歷著某種形式的變化。
因此,宇宙中的任何事件都需要透過變化來進行測量,而測量的本質就是時間。
對於達到光速的粒子來說,時間確實是靜止的。對這些粒子而言,時間靜止,宇宙不再變化,一切都處於停滯狀態。
然而,光的紅移現象對非光速運動的觀察者而言是真實存在的,對於光子本身而言,紅移是不存在的。
這裏就引出了一個常見的誤解,相似於雙生子悖論的問題。
我們知道,速度越快,時間流逝越慢。這種時間的緩慢流逝是針對外部觀察者而言的。
以雙胞胎悖論為例,假設一對雙胞胎中的一人留在地球上,而另一人乘坐飛船高速離開地球。無論是留在地球的兄弟還是在飛船上的兄弟,他們自己都不會感覺到自己的時間流逝有何不同。只有留在地球的兄弟觀察飛船上的兄弟時,才會發現飛船上的兄弟時間似乎變慢了。每個人的時間感知是透過相互比較而得出的。
這裏的時間變慢是實際發生的,不僅僅是視覺效果。
許多人對雙生子悖論的困惑在於,為什麽返回地球的飛船中的兄弟會顯得更年輕。
關於這一點,一個常見的錯誤解釋是,因為乘坐飛船的人需要返回地球,會經歷減速和加速過程,這種變速運動等同於加速度,而加速度在等效原理中又與重力場相等,因此是重力場導致了乘坐飛船的人時間變慢。
這種解釋錯誤地將雙生子悖論的問題擴充套件到了廣義相對論中。事實上,廣義相對論中的重力場確實在雙生子悖論中起到了一定的作用,但這並不是主要原因,主要原因仍然在於狹義相對論的框架內。
如果僅僅解釋「悖論」本身,雙生子悖論可以僅用閔考斯基空間來解決,無需引入廣義相對論。當然,如果涉及到實際的計算過程,那麽廣義相對論的參與是必不可少的,因為涉及到了變速的問題。
在閔考斯基幾何中,縱座標代表時間t,橫座標代表空間x,需要註意的是這裏的x代表的是三維空間,視訊中的二維座標僅為了簡化表述。因此,座標中的AB兩點代表的是時間和空間上的兩個事件。而AB兩點之間的連線並不代表距離,而是代表AB兩個事件之間經過的時間,用字母E表示。
如果AB的連線是直線,那麽表示AB兩個事件之間以恒速進行,也就是說它們屬於同一個慣性系。
但這裏要註意,由於閔考斯基空間采用的是相對論框架,所以AB兩點的時間並不是絕對的,而是相對的,因此B減A並不代表AB兩個事件之間的時間差。
如果一個人站在a點不動,只是隨著時間的流逝到達b點,那麽這時候B減A就代表這個人靜止不動經歷的時間差。而如果涉及到太空旅行,從a到b,涉及的時間差就不能簡單地用勾股定理來計算了,這時候x²+t²並不等於E²!
而正確的表述方式應該是E²=t²-x²。
很多人可能對這個公式感到困惑,首先是因為單位對不上,其次這顯然與勾股定理相違背。
實際上,時間t是相對的,與空間緊密相關,並不像二維座標那樣簡單。這個公式主要用於定性分析,而定量分析則需要考慮到因次問題。
從這個方程式可以看出,如果一個人在空間上的旅行距離越長,那麽x的平方就越大,經歷的時間E就越短。
這是因為光速恒定導致的。光速是經歷的空間除以時間。由於光速不變,如果在空間上移動越多,時間就只能透過膨脹來保持
光速恒定,因此時間就會變慢,相對於經歷的時間就會變少。
對於雙生子悖論而言,留在地球上的人在閔考斯基幾何圖形上位於左側,而乘坐飛船的人則在右側。因此乘坐飛船的人的空間旅行更長,時間相對地就變得更慢。
在簡單的二維時空座標中,可以輕松解決雙生子悖論的問題,如果將其擴充套件到真實的四維時空中,則可以解釋廣義相對論中時空彎曲帶來的時間膨脹效應。具有品質的天體會彎曲周圍的時空,這種彎曲帶來的結果就是重力效應。
即使物體不運動,但處於彎曲時空座標內的物體,所經過的空間也會增加,E²變小,從而導致時間變慢。
無論是速度引起的時間膨脹還是重力場引起的時間膨脹,其本質都是因為處於時空線的物體所經歷的空間增加,從而導致該物體完成周期性活動,如新陳代謝,所需的時間變長,因此對於低速或弱重力場的第三方觀測者來看,時間就變慢了。
需要註意的是,對於時間膨脹的主體來說,他們自身是無法感知到任何時間上的變化的,也無法感覺到自身細胞的新陳代謝變慢。因為他們自身和所處的環境位於同一參考系中,相同的參考系遵循相同的時空規則。
因此,從相對論的角度來看,時間是對變化事物的度量,變化的快慢由速度和重力場決定。
而速度和重力場的本質是由時空線造成的。
時間和空間因光速不變而被緊密地結合在一起,空間記錄了事物變化的程度,而時間記錄了事物變化的速度。
透過這些解釋,我相信很多人對時間的本質有了更清晰的理解,我們接下來將從微觀和熵增的角度來進一步探討時間的本質。
我們通常使用熵增來描述時間的不可逆性,這主要是因為一個熵系統內包含無數個微觀粒子,一旦開始計時,系統內的各個微觀粒子就開始進行無規則運動(雖然可能存在規則,但無法精確預測),對於單個微觀粒子來說,時間可能沒有方向,因為單個微觀粒子可能能夠回到初始狀態,但整個系統卻總是從有序向無序演變,混亂程度逐漸增加,從而給時間賦予了方向。
但實際上,單個微觀粒子也無法返回到上一秒的狀態。宇宙中沒有絕對孤立的系統,任何微觀粒子都需要在空間中運動,即使一個微觀粒子僅進行簡諧運動,它所處的空間也在不斷膨脹,即使粒子的各種參數回到上一秒的狀態,所處的空間也無法返回到過去。
綜上所述,時間的本質就是對變化的度量,而沒有孤立系統的變化,過去某一時刻的變化無法完全重現。
變化之間的最小間隔是普朗克時間,任何事物在相鄰的普朗克時間內都不可能完全相同,這種差異就創造了時間。
因此,時間的語境實際上就是變化,二者本質上沒有區別。
記錄變化需要一個度量單位,目前我們使用銫-133原子基態的兩個超精細結構能階之間的躍遷相對應的放射線周期的9192631770倍的持續時間來定義一秒鐘。
如果你堅持認為時間不存在,那麽要表達一個小時的概念,你就需要描述銫-133的放射線周期的倍數。
說時間不存在,就像說溫度不存在、基本作用力不存在一樣,這都是無稽之談。
因為溫度的本質是微觀粒子運動的劇烈程度,基本作用力的本質是變速運動現象。
我之前已經討論過這種名詞解釋,有人認為力並不存在,因為力是抽象的,而真實存在的是物質的交互作用。
對於這種觀點,我必須再次解釋,首先存在的是交互作用,為了簡化描述這種交互作用的表達語境,我們發明了力這個詞。所以一提到力,自然而然就對應了物質的交互作用這一現象。人們發明這些詞不是無聊地創造一個空洞無意義的名詞。重力、電磁力、弱力、強力這些名詞都是某種交互作用的簡稱。
糾結這些問題只會讓人陷入語境的悖論中。
如果按照力不存在的邏輯,那麽我們也可以說張三不存在,因為張三的本質是由微觀粒子特定序列組合成的肉體。這種序列的肉體是真實存在的,而張三這個名字本身並不存在。
沒有變化就沒有時間,時間等同於變化,所以當我們談論時間時,本質上就是在討論變化現象,沒有脫離變化的時間。時間不僅僅是發明的一個名詞,而是被賦予了變化的內核。變化有無數種形式,比如超新星爆發、日出日落、潮起潮落等。為了統一並簡化描述所有變化現象,我們發明了時間這個詞,它泛指各種變化現象。因此,說時間不存在的觀點,實際上是一種無聊而乏味的觀點。