物理学或任何科学最重要的方面之一就是始终对领先的物理理论提出最大的挑战。你可以挑战先前的结果，你可以挑战获得这些结果的方法，你可以在可能适用的新领域中设计新的测试，你甚至可以挑战这些测试背后的假设。当谈到我们对宇宙的理解时，我们相信我们居住在一个四维的「结构」中，称为时空，它有三个空间维度和一个时间维度，所有这些都密不可分地交织在一起。
当然，所有这些都假设时间本身是真实存在的：物理上真实存在，并且本质上是基本的东西。但这些假设一定是真的吗？有没有可能绕过它们，时间可能只是一种幻觉，尽管是一种令人信服的幻觉？这就是戴夫·德鲁斯想知道的，他写信询问：
「我们都听过这样一个哲学问题：‘如果森林里有一棵树倒下，而周围没有人听到，那它会发出声音吗？’有些人认为时间是一种幻觉，是人类思想和经验的产物。如果这是真的，那么如果周围没有众生来体验它，时间还存在吗？」
这是一个棘手的问题，我们有很多方法可以解决它。让我们尽可能全面地回答这个关键问题：时间存在吗？
光锥的示例，即到达和离开时空中某一点的所有可能光线的三维表面。你在空间中移动得越多，你在时间中移动得越少，反之亦然。只有你过去的光锥中包含的事物才能影响你今天的生活；只有你未来的光锥中包含的事物才能被你在未来感知到。这说明的是平坦的闵可夫斯基空间，而不是广义相对论的弯曲空间。
时间的本质
直到 20 世纪初，我们曾认为时间对每个人来说都是一样的。无论你在哪里，无论你移动的速度有多快，无论你何时测量，每个人、每个地方、每个时间对时间的看法都是一致的：我们会测量出每个人的时间流逝速度都是相同的。但事实证明，虽然我们可以：
· 测量它，
· 量化它，
· 观察它的经过，
· 观察并衡量其通过的后果，
但事实证明，对于任何两个事件之间「经过了多长时间」这个看似简单的问题，每个人的答案并不相同。
爱因斯坦告诉我们，回答这个问题「任何事件从开始到结束经过了多少时间」在很大程度上取决于你在观察时所处的位置和移动方式。例如，如果你在一列行驶的火车上，从火车的一端向另一端发射一束光波（或向上发射到天花板，然后向下发射到地板），你会得到一个具体的值，表示光到达火车另一端需要多长时间。然而，如果你在站台上，看着火车上的人从一端向另一端发射光，你会从在火车上随着光移动的观察者那里得到不同的答案。
对于以不同相对速度移动的观察者来说，「光钟」的运行速度似乎有所不同，但这是由于光速恒定所致。爱因斯坦的狭义相对论支配着不同观察者之间时间和距离的转换。然而，只要观察者保持在自己的参考系中，每个观察者都会看到时间以相同的速率流逝：每秒一秒。
对于行驶中的火车上的人来说，他们会测量出光线到达火车远端需要经过一定的时间。但对于地面上的人来说，他们不仅会得到一个不同的、更长的答案，而且他们会得出结论，火车上的人（以及一切事物）实际上比他们衰老得更慢。对于静止的观察者来说，运动中的物体比静止的物体衰老得更慢。
造成这种现象的原因是，自然界中的「绝对」量既不是空间也不是时间，而是真空中的光速：物体在空间和时间中移动的最大速率。事实证明，你在空间中的运动越大，你在时间中的运动就越小，反之亦然。这意味着，如果你想最大限度地在时间中运动，你将保持绝对静止；任何与你相对运动的人都会经历更慢的时间流逝。
对于地面上的观察者和火车上的观察者来说，他们测量到的数值虽然各不相同，但彼此之间的差异是一致的。当你计算一个观察者相对于另一个观察者的时间流逝时，每个观察者不仅能够正确预测自己的手表和时钟所显示的时间，还能正确预测另一个观察者的手表和时钟所显示的时间。这只需要具备狭义相对论的知识。
这张照片显示，哈弗勒、基廷和他们的两台原子钟在环球飞行中，他们在飞行中对时间膨胀进行了实验测试。一名未透露姓名的空乘人员在一旁观看。1972 年的这次飞行是首次直接测量定向时间膨胀的实验，这两项实验都源于狭义和广义相对论的结合。
我们感知的时间
说到我们的感知，我们知道「体验」时间流逝的感觉。即使时间相对于观察者而言是相对的，这也意味着时间的存在，只不过它所具有的属性增加了一点反直觉性：相对性，这是一种我们在很大程度上不熟悉的属性，因为我们在空间中的移动速度通常比光速慢得多。然而，值得考虑另一种观点：我们对时间流逝或存在的感知只是一种幻觉，是由我们用来测量时间流逝的基本「时钟滴答声」以外的其他现象驱动的。
· 时间在向前流逝，重力将球从下落的位置拉下来，
· 或者时间倒流，你看到一个球之前被向上抛出，而重力阻碍其向上运动。
这是因为运动定律遵循所谓的时间反演对称性：无论时钟向前还是向后运行，定律都是相同的。
如图所示，弹跳中的球可能会向右移动，每次弹跳都会损失能量，也可能向左移动，每次弹跳都会增加能量。虽然无论时钟向前还是向后移动，牛顿运动定律都是相同的，但并非所有物理规则在时钟向前或向后移动时都会完全相同。
不仅运动定律遵循时间反演对称性，几乎所有物理定律都具有这种对称性。我们宇宙中的四种基本相互作用中的三种——引力、电磁力，甚至强核力——都遵循这种时间反演对称性。无论时钟向前还是向后运行，它们遵循的定律都是相同的，而且仅仅通过观察系统中粒子在这些定律下的变化，你无法辨别时间流向哪个方向。
然而，事实证明，有两种方法可以识别时间向前或向后运行的系统之间的物理差异。第一种方法是观察通过弱核力进行的反应，例如放射性衰变。想象一下你有一个重原子核，里面充满了质子和中子。如果该原子核中的中子数量与存在的质子数量相比很大，那么原子核就有可能经历一种特定类型的放射性衰变：β衰变。
β 衰变是指原子核中的一个中子衰变成质子、电子和反电子中微子，许多元素和同位素都会发生这种衰变。此外，它甚至发生在不属于任何较大原子核的自由（未结合）中子身上。
大质量原子核中核β衰变的示意图。只有当（缺失的）中微子能量和动量被包括在内时，这些量才能守恒。从中子到质子（以及电子和反电子中微子）的转变在能量上是有利的，额外的质量被转化为衰变产物的动能。质子、电子和反中微子结合形成中子的逆反应在自然界中从未发生过。
但它绝不一个质子、一个电子和一个反电子中微子自发发生反应，形成一个中子。事实上，从很多方面来看，弱相互作用都是物理学中时间不对称反应的典型代表。违反时间反演对称性的不仅仅是中子的β衰变，所有由弱相互作用驱动的衰变都是如此。
然而，第二种识别系统在时间上是向前运行还是向后运行的方法更为常见和熟悉。每次我们都会这样做：
· 炒鸡蛋，煮鸡蛋，
· 在有暖气的房间内打开冰箱门，
· 或者不小心打碎了玻璃器皿或瓷器，
我们创造了一种情况，其中我们的系统的熵增加了，或者热力学时间箭头向前运行。
你可能听说过熵这个概念，它是所讨论的物理系统的「无序度度量」，但其内部发生的事情要深刻得多。任何系统内部都存在某种能量梯度。未炒好的鸡蛋在蛋白（鸡蛋的「白色」）和蛋黄之间存在能量梯度，而蛋黄周围的屏障阻止它们混合。未煮熟的鸡蛋的分子中储存有势能，当你煮鸡蛋时，这种（化学）能量就会释放出来，形成新的键并改变鸡蛋的结构。玻璃或瓷器容器的结构中也存在势能，每当它破碎时，这种势能就会释放出来。
当以正确的频率振动时，酒杯会破碎。这个过程会大幅增加系统的熵，从热力学角度来看是有利的。相反的过程，即玻璃碎片重新组合成一个完整的、没有裂痕的玻璃，这种可能性非常小，在实践中从未自发发生过。然而，如果单个碎片在飞散时的运动方向完全相反，它们确实会飞回一起，至少在一瞬间，成功地重新组装成酒杯。时间反演对称性在牛顿物理学中是精确的，但在热力学中却不被遵循。
· 冷粒子会从左侧移动到右侧，
· 热粒子会从右侧移动到左侧，
在其他所有情况下，隔板都应关闭。从一个温度均匀的大房间变成两个分开的房间，一个房间左侧充满热粒子，另一个房间右侧充满冷粒子，这代表着熵的急剧下降。但是，如果你有办法从任何房间的任何地方测量时间的流逝，你会发现，尽管熵在减少，但你的感知并没有告诉你时间在倒流。
换句话说，我们对时间流逝的感知（对于任何观察者来说，时间都以每秒一秒的速度向前移动）与热力学时间箭头以及熵的增加（或不增加）无关。
这幅图显示了一个房间的两面：一面是热的，一面是冷的，两面中间有一个恶魔，他可以打开和关闭两面之间的隔板。如果隔板打开，气体就会混合；如果气体最初混合得很好，那么打开和关闭隔板的恶魔就可以对房间进行分类，即使是对于一个封闭（但不是隔离）的系统也是如此。
时间是一种幻觉吗？
然而，这个想法在量子层面上并不普遍正确。自 19 世纪以来，人们进行了一项著名的实验，其变化形式多种多样：双缝实验。如果你将波（例如水波）穿过两个缝隙，则传播通过的波的一部分将在另一侧产生干涉图样。这不仅适用于经典波，还适用于光子、电子和任何其他表现出波状特性的量子粒子，即使你一次只将它们一个地穿过双缝。
然而，如果你测量每个光子或电子穿过哪个狭缝，你根本得不到干涉图样，只有两「堆」粒子。就好像大自然知道你是否在观察它一样。
通过设置可移动的遮光板，您可以选择遮住双缝实验中的一条或两条狭缝，观察结果以及它们如何随着遮光板的运动而变化。只要两条狭缝都没有被遮住，并且您不测量粒子通过哪条「狭缝」，您就会看到干涉图样。
时间也是这样吗？除非有观察者测量时间，否则时间本身可能根本不存在吗？
这似乎极不可能，我们可以指出一个深刻的原因：对早期宇宙的直接观察。根据物理定律，我们知道，在宇宙的早期阶段，根本没有观察者。需要发生许多事件才能产生能够观察任何事物的东西，包括：
· 在反物质之上创造物质，
· 原子核的形成，
· 中性原子的形成，
· 为了产生重元素而形成多代恒星，
· 这些重元素经过大量的化学反应，形成了能够观测宇宙的东西。
所有这些过程至少需要几亿年才能完成，考虑到生命的出现和进化速度之慢，可能需要数十亿年。然而，当我们看向遥远的宇宙时，我们看到了所有这些事情都发生在很久以前的证据：早在任何观察者出现之前。这为我们提供了非常有力的证据，证明时间在真实的物理意义上存在，早在任何观察者出现之前。有了现代天文台，我们可以随时回溯并查看这些证据——从宇宙微波背景到丰富的轻元素，再到有史以来最早的恒星和星系。
JADES-GS-z14–0 位于顶部插图框中，位于一个更近、更亮、更蓝的星系后面（右侧）。只有通过分辨率极高的光谱仪才能区分这两个光源，从而确定这个破纪录遥远物体的性质。它发出的光来自宇宙只有 2.9 亿年历史的时候：仅为其当前年龄的 2.1%。位于其正下方的 JADES-GS-z14–1 来自宇宙约 3 亿年历史的时候。
时间可能是一种虚幻的现象，原因如下：它仍有可能成为我们所说的宇宙的突现属性，而非基本属性。我们将空间、时间和粒子（量子）视为宇宙的基本实体，而可以从它们进一步推导出的量（例如熵）则是突现属性。然而，有其他在数学上可行的公式，你可以将熵视为基本属性，然后可以将其他属性（包括时间）推导出来作为突现属性。虽然从物理角度来看，时间和熵都明显存在，但并不一定清楚哪一个是基本属性，哪一个是突现属性；目前我们还不知道如何测试。
然而，我们可以相当有信心，时间确实存在，至少在某种程度上。当物理学询问某物是否存在时，我们通常会问以下问题：
· 你能测量吗？
· 你能量化它吗？
· 你能以数学自洽的方式定义它吗？
· 它本身是一个可观察的量吗？
· 其他可观测量是否也以不可分割的方式依赖于这个量？
从量子到宏观再到宇宙，当涉及到时间时，所有这些问题的答案都是「是」。尽管时间的行为有很多怪异之处，而且我们试图赋予它的任何定义都有很多不足之处（类似于能量），但我们可以观察、测量和测试的一切都指向它的真实性。如果它真的是一种幻觉，那么这种幻觉甚至欺骗了我们迄今为止理解物理存在的最佳方法。
