时间是否真实存在呢?如果你尝试在线搜索,大多数结论可能会告诉你时间并不存在。
关于时间存在与否的问题,其实并不纯属于物理学的讨论范畴,而更多的是关于语言的广义解释。
当我们在物理学中经常遭遇像光速恒定、时间扩张、量子纠缠这些违反直觉的概念时,我们可能会逐渐习惯于接受这些概念,因此,面对「时间并不存在」这种看似荒谬的观点时,我们也可能不以为然。本文将在接下来十几分钟的阅读中帮助你重新思考,向你说明,有时候直觉也许是正确的,时间确实是存在的。
在深入探讨时间的本质之前,让我们首先考虑时间的起源。现代物理学告诉我们,时间源于宇宙大爆炸,也就是说,在宇宙大爆炸之前,时间是不存在的。宇宙大爆炸的那一刻似乎不可避免地带来了时间的单向流动,且这一流动是不可逆的。
在大爆炸之后的宇宙中,仅存在以光速运行的基本粒子,例如光子和胶子,对它们而言时间是静止的,也就是说,对于这些粒子来说时间是无意义的,它们的生命就是瞬间消逝。因此,要让时间失去其意义,不是回到大爆炸之前的状态,就是存在于以光速行进的基本粒子中。这两种情况从本质上来看都是静态的。
因此,时间的概念本质上与变化密切相关,只有存在变化,时间才存在;如果没有变化,时间也就无从谈起。
但是需要注意的是,宇宙中的任何事件都不会存在于绝对静止状态中。
即使是宇宙深空中看似完全空旷的地带,也存在着宇宙背景辐射和量子涨落,宇宙并不存在绝对的真空状态。所有区域都在经历着某种形式的变化。
因此,宇宙中的任何事件都需要通过变化来进行测量,而测量的本质就是时间。
对于达到光速的粒子来说,时间确实是静止的。对这些粒子而言,时间静止,宇宙不再变化,一切都处于停滞状态。
然而,光的红移现象对非光速运动的观察者而言是真实存在的,对于光子本身而言,红移是不存在的。
这里就引出了一个常见的误解,相似于双生子悖论的问题。
我们知道,速度越快,时间流逝越慢。这种时间的缓慢流逝是针对外部观察者而言的。
以双胞胎悖论为例,假设一对双胞胎中的一人留在地球上,而另一人乘坐飞船高速离开地球。无论是留在地球的兄弟还是在飞船上的兄弟,他们自己都不会感觉到自己的时间流逝有何不同。只有留在地球的兄弟观察飞船上的兄弟时,才会发现飞船上的兄弟时间似乎变慢了。每个人的时间感知是通过相互比较而得出的。
这里的时间变慢是实际发生的,不仅仅是视觉效果。
许多人对双生子悖论的困惑在于,为什么返回地球的飞船中的兄弟会显得更年轻。
关于这一点,一个常见的错误解释是,因为乘坐飞船的人需要返回地球,会经历减速和加速过程,这种变速运动等同于加速度,而加速度在等效原理中又与引力场相等,因此是引力场导致了乘坐飞船的人时间变慢。
这种解释错误地将双生子悖论的问题扩展到了广义相对论中。事实上,广义相对论中的引力场确实在双生子悖论中起到了一定的作用,但这并不是主要原因,主要原因仍然在于狭义相对论的框架内。
如果仅仅解释「悖论」本身,双生子悖论可以仅用闵可夫斯基空间来解决,无需引入广义相对论。当然,如果涉及到实际的计算过程,那么广义相对论的参与是必不可少的,因为涉及到了变速的问题。
在闵可夫斯基几何中,纵坐标代表时间t,横坐标代表空间x,需要注意的是这里的x代表的是三维空间,视频中的二维坐标仅为了简化表述。因此,坐标中的AB两点代表的是时间和空间上的两个事件。而AB两点之间的连线并不代表距离,而是代表AB两个事件之间经过的时间,用字母E表示。
如果AB的连线是直线,那么表示AB两个事件之间以恒速进行,也就是说它们属于同一个惯性系。
但这里要注意,由于闵可夫斯基空间采用的是相对论框架,所以AB两点的时间并不是绝对的,而是相对的,因此B减A并不代表AB两个事件之间的时间差。
如果一个人站在a点不动,只是随着时间的流逝到达b点,那么这时候B减A就代表这个人静止不动经历的时间差。而如果涉及到太空旅行,从a到b,涉及的时间差就不能简单地用勾股定理来计算了,这时候x²+t²并不等于E²!
而正确的表述方式应该是E²=t²-x²。
很多人可能对这个公式感到困惑,首先是因为单位对不上,其次这显然与勾股定理相违背。
实际上,时间t是相对的,与空间紧密相关,并不像二维坐标那样简单。这个公式主要用于定性分析,而定量分析则需要考虑到量纲问题。
从这个方程可以看出,如果一个人在空间上的旅行距离越长,那么x的平方就越大,经历的时间E就越短。
这是因为光速恒定导致的。光速是经历的空间除以时间。由于光速不变,如果在空间上移动越多,时间就只能通过膨胀来保持
光速恒定,因此时间就会变慢,相对于经历的时间就会变少。
对于双生子悖论而言,留在地球上的人在闵可夫斯基几何图形上位于左侧,而乘坐飞船的人则在右侧。因此乘坐飞船的人的空间旅行更长,时间相对地就变得更慢。
在简单的二维时空坐标中,可以轻松解决双生子悖论的问题,如果将其扩展到真实的四维时空中,则可以解释广义相对论中时空弯曲带来的时间膨胀效应。具有质量的天体会弯曲周围的时空,这种弯曲带来的结果就是引力效应。
即使物体不运动,但处于弯曲时空坐标内的物体,所经过的空间也会增加,E²变小,从而导致时间变慢。
无论是速度引起的时间膨胀还是引力场引起的时间膨胀,其本质都是因为处于时空线的物体所经历的空间增加,从而导致该物体完成周期性活动,如新陈代谢,所需的时间变长,因此对于低速或弱引力场的第三方观测者来看,时间就变慢了。
需要注意的是,对于时间膨胀的主体来说,他们自身是无法感知到任何时间上的变化的,也无法感觉到自身细胞的新陈代谢变慢。因为他们自身和所处的环境位于同一参考系中,相同的参考系遵循相同的时空规则。
因此,从相对论的角度来看,时间是对变化事物的度量,变化的快慢由速度和引力场决定。
而速度和引力场的本质是由时空线造成的。
时间和空间因光速不变而被紧密地结合在一起,空间记录了事物变化的程度,而时间记录了事物变化的速度。
通过这些解释,我相信很多人对时间的本质有了更清晰的理解,我们接下来将从微观和熵增的角度来进一步探讨时间的本质。
我们通常使用熵增来描述时间的不可逆性,这主要是因为一个熵系统内包含无数个微观粒子,一旦开始计时,系统内的各个微观粒子就开始进行无规则运动(虽然可能存在规则,但无法精确预测),对于单个微观粒子来说,时间可能没有方向,因为单个微观粒子可能能够回到初始状态,但整个系统却总是从有序向无序演变,混乱程度逐渐增加,从而给时间赋予了方向。
但实际上,单个微观粒子也无法返回到上一秒的状态。宇宙中没有绝对孤立的系统,任何微观粒子都需要在空间中运动,即使一个微观粒子仅进行简谐运动,它所处的空间也在不断膨胀,即使粒子的各种参数回到上一秒的状态,所处的空间也无法返回到过去。
综上所述,时间的本质就是对变化的度量,而没有孤立系统的变化,过去某一时刻的变化无法完全重现。
变化之间的最小间隔是普朗克时间,任何事物在相邻的普朗克时间内都不可能完全相同,这种差异就创造了时间。
因此,时间的语境实际上就是变化,二者本质上没有区别。
记录变化需要一个度量单位,目前我们使用铯-133原子基态的两个超精细结构能级之间的跃迁相对应的辐射周期的9192631770倍的持续时间来定义一秒钟。
如果你坚持认为时间不存在,那么要表达一个小时的概念,你就需要描述铯-133的辐射周期的倍数。
说时间不存在,就像说温度不存在、基本作用力不存在一样,这都是无稽之谈。
因为温度的本质是微观粒子运动的剧烈程度,基本作用力的本质是变速运动现象。
我之前已经讨论过这种名词解释,有人认为力并不存在,因为力是抽象的,而真实存在的是物质的相互作用。
对于这种观点,我必须再次解释,首先存在的是相互作用,为了简化描述这种相互作用的表达语境,我们发明了力这个词。所以一提到力,自然而然就对应了物质的相互作用这一现象。人们发明这些词不是无聊地创造一个空洞无意义的名词。引力、电磁力、弱力、强力这些名词都是某种相互作用的简称。
纠结这些问题只会让人陷入语境的悖论中。
如果按照力不存在的逻辑,那么我们也可以说张三不存在,因为张三的本质是由微观粒子特定序列组合成的肉体。这种序列的肉体是真实存在的,而张三这个名字本身并不存在。
没有变化就没有时间,时间等同于变化,所以当我们谈论时间时,本质上就是在讨论变化现象,没有脱离变化的时间。时间不仅仅是发明的一个名词,而是被赋予了变化的内核。变化有无数种形式,比如超新星爆发、日出日落、潮起潮落等。为了统一并简化描述所有变化现象,我们发明了时间这个词,它泛指各种变化现象。因此,说时间不存在的观点,实际上是一种无聊而乏味的观点。