时间从物理意义上来说到底是什么？

营养师

时间从物理意义上来说到底是什么？
最近在为小说想设定，碰到了时间这个问题，看了很多文章，说时间是人类设定的概念，代表的是物质的运动和能量的变化，我也认同这个观点。可是这样说来，宇宙学常说的四维时空中的那一个时间维度又是什么呢？总感觉中间有很大的逻辑裂痕（我也想不清楚所以问题可能描述的很模糊，请见谅）

原文地址：https://www.zhihu.com/question/604526565

继续前进

我一直有个物理直觉（就是瞎猜的意思），时间是宇宙中某个底层规则的衍生品。
这个底层规则就是粒子全同性。
因为存在粒子全同性，那么想构建一个原子，就必须有泡利不相容原理。
有了泡利不相容原理，两个电子就不能「挤占」同一空间。
而为了保证两个电子不「挤占」同一空间，就必须有个先来后到的顺序。
这个顺序就是时间。
举个通俗易懂的例子。
我们想设计一款「我的世界」沙盒游戏，给玩家提供一种最基础的小方块，然后让大家随意搭建。
为了节省资源，我们没必要每个方块都搞唯一 ID，就写一个代码，然后反复生成对象。
但这里有个小问题，如果所有方块都是一样的（粒子全同性），那么反复生成后，有很大概率都「叠」在一起，变成了一个方块，就像玩家背包里的金币或血瓶，这样的话可没法搭建。
所以我们需要设定一条规则，保证每个方块在游戏坐标中的唯一性（泡利不相容原理），同一个位置已经有了一个方块，那么其他方块就不可再挤占。
但是每个方块的位置并不是固定的，玩家经常搬来搬去，又该如何判断坐标的唯一性呢？
很简单，我们再设定一个最小运动单位（普朗克时间），和在这个单位内的最大运动距离（普朗克长度）。
于是玩家搬运方块时，就不存在瞬间移动了（光速限制），系统会自动判断先来后到，避免了坐标撞车的问题。
但是这样还不够严谨，因为系统的判断也是需要时间的，如果玩家在系统的两次判断之间，把一个方块搬运到另一个方块的位置，那不又重叠了吗？
所以我们还要再打个补丁，在这种情况下，如果系统发现两个方块重叠了，那么就把后到的方块「踢」出去（量子隧穿效应）。
如此一来，我们就用最简洁的方式，搭建了一个庞大的「我的世界」。

卡卡

时间是空间变换——三维空间的“类一维”延伸——四维时空的第四维度——它是对称的三维空间的时元（t=r/c，r=ct），时间是时空曲率的导数，即时间是空间的一阶微量，它代表的是物质能量在四维时空中的动量。

清风寡欲

首先明确一点，我们讨论一个物理现象时从不关注它的“本质”是什么（那是哲学家关心的事），只关心我们对它的描述（理论）是否与我们所观察到的现象（实验）相吻合。
从这个意义上来讲，我们的观察能力限制了我们的认知——这也就是现代物理学要不断造更加精密的仪器来观察更细微的世界的原因。
最常用的描述某个观察到的现象的工具是数学，因为它足够准确、易于推广。为了描述某个物理对象引入的数学描述一般称作“物理量”，例如位置 ，温度
那么回到我们的问题，时间在物理意义上到底是什么？我们按照物理的方法对其做一个论述。
观察到的现象：空中的铁球会往下掉，放着的苹果会腐烂，太阳会东升西落
这些现象的共性是什么？同一物理实体出现多种不同的状态。比如铁球，有在空中和落到地面上两种状态。假设我们已经有对“铁球位置”的数学描述 ，分别记为 （在地上）和 （在空中），那么我们如何描述“空中的铁球往下掉”这个现象？
很明显仅仅一个实数 不够用了，因为数学上一个实变量不能等于两个不同的数。我们只能引入一个新的实数 ，并规定 为 的函数。这时候我们就能准确描述“空中的铁球掉了下来“，记为 以及
我们把这个 称作“时间”。可以看到，时间是我们描述同一物理实体可能存在的不同状态时，为了加以区分而引入的物理量。
在这个基础上，我们进一步发现，（经典力学中）描述空中落下的铁球的时间 ，也能用于描述即将腐烂的苹果和太阳的东升西落，所有事物的不同状态都用同一个实数区分，即所谓的绝对时空观。基于这一认知，我们制造出了时钟，可以帮助我们观察当前的时间。以最简单的摆钟为例，我们认为崭新的摆钟的时间 ，摆钟每一次摆动 都会增加1。那么，时间在这里就是摆钟的状态（如“第1919次摆动的摆钟”）。
注意！这里并没有要求时钟一定是单向的！例如，我可以使用另一套规则，摆钟每一次摆动 都会增加1，但是每当 增加到114514之后开始将 反向减少，直到变成0之后再次反向。这样定义的时间也是可以正确描述摆钟的状态的（因为摆钟是一个可逆系统）！但是，我们发现这样定义的时间描述其它的物理现象时会出问题，因为这样定义的时间下，t=0时我的苹果是完好的，但是摆钟229028次摆动后t仍然为0，但是我的苹果坏掉了。同一时间苹果竟然出现了两种状态，这与我们建立时间的初衷相悖。因此，为了能够正确描述不可逆系统，我们要求时钟只能是单向的（即时钟状态只能从时间小的状态变成时间大的状态）。对这一规则的严格描述是热力学第二定律。
最后我们来讨论四维时空。这个其实没什么好说的，因为四维时空完全是一个数学上的概念。和上面用 描述铁球/摆钟/苹果类似，只不过现代物理学中我们描述一个物理现象通常需要使用四个物理量 ，然后绝对时空观下要求 构成三维欧几里得空间而时间 为单独的实数，狭义相对论修正之后则要求 构成四维Minkowski空间。总而言之都是一些对这些物理量的数学上的限制，为了能够正确描述我们观察到的物理世界。
至于“维度”，其实只是因为我们研究的这些时空数学上都是线性空间，然后线性空间的性质之一就是其维度 ，比如四维时空的维度 。数学上从来就没有什么“某个方向的维度”的说法（一个数哪来的方向）。所谓“时间维”大概是指 ？（即时空中的一条直线，沿着这条直线时间坐标变化而空间坐标不变），但是没什么实际意义。如果你要写小说的话可以用“世界线”，即四维时空中某个物体的运动轨迹，更贴近科幻中常见的“时间线”的概念。
注意到在狭义相对论中绝对时空观不再成立！也就是说我们再也不能使用一个时钟来观察整个世界的时间 （或者说世界时间 已经不是一个好的定义了），而只能使用 处的时钟来观察 处的时间 。在相对论中，如果位置发生了变化，那么时间也会发生变化，这是许多相对论“悖论”的来源。为了方便处理相对论中的物理问题，我们通常在我们的研究对象（比如铁球）上直接绑一个随着铁球动的时钟，研究这个时钟的时间（称为固有时间 ），通常比直接研究每一个点的局域时间 要更方便。固有时间的好处是不管我在哪个惯性参考系里观察固有时总是不变的，不过在广义相对论里就和加速/引力有关了。
以上大概就是人类如何从观察到的物理现象中抽象出“时间”这一概念的过程以及现代对于时间的一些认知。还是那句话，如果你要问为什么为什么随着时间流趟日升日落宇宙生灭，为什么有过去现在以及未来的区别，那我真的无法回答，这个世界上也没人能回答这个问题。我们只能去描述眼中所见，知道明天依旧会日升日落，知道自己和宇宙未来将赴何方。我们只是时间之河中的游鱼，穷极一生跳出河面只为看一眼下游的礁石，而根本不可能去理解是谁挖了这条河，又是何等的伟力让这河汹涌前行。
吐槽：很多作品中所谓的“跳出时间线”仅仅只是设计了一条更大的时间线，然后跳出来的“神”对之前的小时间线整点修改过去改变未来之类的。你但凡写个每个人有独立时间线或者二维的时间我都当你努力过了。
吐槽+：如果是写小说的话就不要管那么多物理上的事情了，故事好看就行。什么回到过去预知未来，基本就是言之有理即可，反正你也不可能严谨化的。科幻就遇事不决量子力学，解释不通平行时空。奇幻就更简单了，你魔法都掏出来了还有什么做不到的？

大力水手

1.【机械宇宙观：不可违逆的时间】
牛顿认为世界像一个时钟，上好发条一切会自行运转！仿佛一切从大爆炸之初就是既定的、没有什么悬念。不过大家因此被决定论萦绕、怀疑“人生不过一种无可救药的幻觉”。
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2.【20世纪初：滑落神坛的时间】
20世纪初相对论崭露头角，钟慢尺缩，"时间"不再是难以撼动“绝对存在”。进入量子时代，双缝干涉实验、观察者效应、薛定谔的猫开始让我们怀疑人生，线性"时间"概念逐渐失去用武之地，仿佛只是记录导致的效应... 未来在概率中浮现，大家转向“时间是一种无可救药的幻觉”。


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3.【60年代：关于时间难题】
到了60年代，物理学家惠勒（John Wheeler）和布莱斯德维特（Bryce DeWitt）成功结合了量子力学和广义相对论，提出“惠德方程”Wheeler-DeWitt。


想解开量子理论与相对论内在的不相容，但却引入了新的问题：如同‘消消乐’一般"时间"相消失去踪迹...公式描绘的宇宙处于永恒的静止！




物理学家马吉诺维斯Marco Genovese就指出：“方程表明我们的宇宙是静态的，没任何东西在演化。但我们凭借什么能到感受时间演化？“... 静态宇宙如何诞生动态的你 ？
似乎进一步论证“时间是幻觉”的说法。


4.【时间从何而来？时间是纠缠的涌现】
认定时间是客观存在，是基于日常经验的结论。
“时间难题”困扰我们许久。直到83年，物理学家唐佩琪（Don Page）和威廉伍斯特（William Wooters） 在量子纠缠基础上提出解决方案，认为一对纠缠粒子演变方式可作为用来测量变化的时钟。他们的结果依赖于如何进行观察。


而意大利物理学家用量子实验检验了Page Wooters理论，证实对内部观察者来说，时间是纠缠的涌现；而对外部观察者而言时间是不存在的——上帝视野中宇宙从未变化过。


5.  静态的宇宙间要如何产生生动的你
总结一下画个图
1、时间是一种幻觉：上帝（外部观察者）眼里宇宙是静态的。
2、时间涌现于量子纠缠的过程；
3、一切只发生“内部观察者”身上！


“以人为本”审视思路之下：
作为“观察者”的你正创作着时间本身 ! 不能忘却，时间本就是衡量变化的计量单位；
观测的过程中，当纠缠的发生，“叠加态”坍缩为“本征态”，给出一个本征值，从静态的公式宇宙间为你的小系统带去一个影响变量。嘀嗒之间 time +1 : ）


6. it from Qubit
我愿意称之“时间的小动作”；微观世界本没有时间理念。我们便是借此摆脱了公式中“静态宇宙”的命运，时间涌现而来，成就妳视野间生动的世界；


计算机领域，最基本计算单元是数据“0”和“1”及她们之间的与非门计算，千姿百态的虚拟世界由此而来。而如果意识是种算法，或许，其核心就是与“我”相关的物质系统，在外界信息交互过程中获取“0”和“1”过程。


自我系统与环境时刻发生着交互，形成纠缠。类似原理，在上帝的量子计算机中，生命以负熵为食，而你偏好量子比特投喂0和1、于此摆脱惠德公式的静止宿命。
量子处于叠加态之中，每次观测都会衍生新世界。虽分离出不计其数的平行宇宙，但我们只能选其一驻足停留。


这一切操作只有在熵增的正方向上才能得以有效组织，不断存档你的那一份记忆 所以你面前的世界是熵增的；在熵增正方向之内这类操作得以处理；编制出一条属于你的时间的曲线。伴随熵增的步伐，你体验到三维空间一维时间的“幻觉”。


7. 地球Online头号玩家(权当脑洞)
如果宇宙是一台计算机，我们便是地球Online的头号玩家，时间仅存在于存档间



看完《流浪地球2》，流连“黑客帝国”电影、VR互动游戏，越发倾向“缸中大脑”虚拟世界假设…不过考虑到全息原理这应该是一个“二维缸中大脑”。假定“二维边界信息”才是真实所在，“三维空间”和大千世界不过投影，那你“缸中大脑”也应存于“二维信息平面”内。


Dali 70年前创作了一幅名为《记忆永恒的解体》的油画。就是我们熟悉的油画《记忆的永恒》的姐妹篇，如同一个全息预言。



悬浮海洋中、被离散化的平面上，覆盖薄纱般的达利自画像。“一张摊平的脸颊”标识着自我所在... 不觉便会联想为“二维缸中大脑”，浸润海洋中、雕刻于某类硬盘上...
the Disintegration of the Persistence of Memory in 1954


二维界面上也呈现丰富信息，“扭曲的人面”与空中“悬浮的鱼儿”其实是同形异构，仿佛三维“鱼儿”是二维“人面”投映，彼此呼应结合中“时间”（达利的怀表）浮现出来。
“飘起的怀表、悬浮的物件”，似乎暗示引力、时空不过幻觉一场，如我们所在量子比特海洋浪花涌现；一切都是记忆之上自觉，发生于这诡异平面国世界…
在这样的蓝图之下，咱们这些“二维缸中脑”的日常：便是于量子比特海洋中拾取细节，补齐自己人生全景图像。没准宇宙间某个Loss函数正指导着世界，由概率走进你的真实 …雕刻进你虚幻人生的存档中




粗粒化的马赛克图块，一步步变成细腻质感的影像。这个补全过程中，自我系统产生改变，从外界获取信息，有了“时间演进”也有了“意志体验”立足余地。
几年前，深度学习和重整化群可以建立严格映射的结论开启一扇天窗。或许这就是上帝眼中“真实”人生，宇宙计算机演算着你的人生。经典世界不过是量子现象在宏观上的涌现。



【David Bohm】当年说过：「我们的大脑透过数学运算，解释了来自另一个维度的频率构建的客观现实，这是一种超越时空的更深层次的存在秩序』
没准这是一个单机游戏。只有游戏光盘（boundary），或只有PS4（bulk）都没法读取游戏内容、畅快开局。我们的意志体验，也应是在AdS/CFT两个不同维度交相呼应、读取存储之中得以成全。借某些量子纠缠机制，解码身边的世界，“穿针引线间”编织属于我们自己的支线剧情。
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1. 你的剧本，刻录在光年之外，遥远的视界。
2. 你的风景， 静止在无尽表象海洋，还未曾涌动过 。
等待一个回眸，纠缠起舞打破永恒的寂静。
人生便是时间的微积分，愿最美妙故事曲线与妳同在

李军：【地球Online】不要怂，就是GAN.

大力水手

爱因斯坦说，时间是时钟测量的东西/Time is what a clock measures。
时钟可以是任何正在经历不可逆变化的事物，是一种热力学装置。你也是时钟。

• 人、猫、狗、老鼠等动物可以表现出估测特定时长的能力，这些动物的脑包含与此有关的细胞[1]。
  
• 绝对准确地计测时间，需要无限的能量，并产生无限的熵[2]。
  
• 在量子力学中，时间是量子力学方程中一个平滑变化的参数，用于衡量可观测物体的演化。基本粒子上没有可以通过测量读取的“精确的、固有的时间戳”。
  
• 在爱因斯坦的广义相对论中，时间是时空的第四个维度。
  
• 试图协调量子力学和广义相对论的理论，例如宇宙学全息原理，试图将四维时空结构解释为由量子信息构成的全息图，时间类似空间。
  
• 在霍金-哈特尔无边界条件下，宇宙涌现时，时间的举动类似空间。
  

“时间不存在”的想法自古有之，爱因斯坦也说过“时间是幻觉”——那是为了构建他比较喜欢的永恒存在的宇宙模型。近年来，一些物理模型不含时间，例如圈量子引力。但是，这类模型普遍假设因果关系仍然存在，你大可将因果顺序重命名为时间。拿这些模型来宣称“时间不存在”更多地算是惊吓一般读者的噱头，不过可以声称时间不像我们以为的那样“有方向性、平滑、不可逆”。
卡洛·罗威利称时间出现在热力学背景下（也就是几十年前时髦过的“热力学时间之箭”思想），是“派生概念”而不是“客观存在”。看起来他在这里忽略了世界是否真实之类问题。
时间的方向可以是暧昧的（Rubino, G., Manzano, G. & Brukner, Č. Quantum superposition of thermodynamic evolutions with opposing time’s arrows. Commun Phys 4, 251 (2021). https://doi.org/10.1038/s42005-021-00759-1）。