时间是真实存在的吗，能从物理公式上证明或证伪吗？

营养师

最近在算偏导，对时间的偏导越想越不理解，空间是坐标维度发生变化，时间是状态发生变化，时间的含义到底是啥啊，还是所有物理量其实都能用状态变化率来表示？人的时间又是啥啊，对寿命进行归一化，时间偏导和高阶偏导是啥啊？

原文地址：https://www.zhihu.com/question/659864541

队长是我

时间只是人为的抽象出来的一个概念，便于刻画空间的变化的一个量。时间只是衡量空间相对位置变化的一个量，不是这个宇宙最根本的东西，宇宙根本的东西只有空间，而空间也不是我们所理解的三维思维的空间。
比如说现在时间是中午了，你也可以说太阳运动到天顶角90°了。

长长的路

这个问题是一个极难的问题，是一个物理哲学问题。在物理学上和哲学上都没有一个统一的答案。
牛顿认为存在一个绝对的时间，爱因斯坦发现不存在一个绝对的时间，时间是相对的，最新的物理答案是时间是一个可测量的物理量。
在哲学上柏拉图认为存在先天的理念的时间，亚里士多德认为离开物体不存在时间。洛克认为时间是人的观念，贝克莱认为时间只在大脑中产生只在大脑中存在，康德认为时间是人的先天的感性认识中的直观形式，离开人不存在时间。
牛顿认为存在一个绝对的时间来自柏拉图的理念论。这一点容易被人理解和接受，因为人容易认为人看到什么，认识到什么就存在什么。康德的观点受到牛顿力学和洛克的观点影响，弄一个唯心又唯理的四不像自认为正确的观点。
爱因斯坦认识到牛顿的时空观是错误的，提出相对的时空观。爱因斯坦认为在不同速度下时间是不同的，在不同的万有引力场中时间是不同的，没有绝对的时间。
最新的物理解释是时间是一个可测量的物理量。

长长的路

时间是指事件发生先后的度量。


存在是指有。


现实中的存在是指某时某地有。


真实是指应当被相信。
时间是真实存在的，就是说，应当相信有时间。我认为这两个命题成立。因为时间是有明确定义的。
但时间是思维中的存在，不是现实中的存在，它不存在于某时某地。
<hr/>时间与空间

空间是指物体相对位置的度量。空间是用于描述现实世界的概念，它本身不是现实中的事物。空间与物体之间的关系是这样的：因为有多个物体，为了描述它们之间的相对位置，我们需要空间这一概念；而非因为有空间，物体才能存在，没有空间物体就不能存在。
时间是指事件发生先后的度量。时间是用于描述现实世界的概念，它本身不是现实中的事物。时间与物体之间的关系是这样的：因为有事件发生，为了描述它们之间的先后，我们需要时间这一概念；而非因为有时间事件才能发生，没有时间事件就不能发生。
假如宇宙中不存在任何物体，那么既不存在宇宙，也不存在物体之间的任何相对位置，也不存在任何事件。因此，时间和空间的概念是不必要的。
假设宇宙中产生了第一个不可分的粒子，这个粒子的产生就是宇宙中第一个事件，也是时间可能的开始。但宇宙中不存在物体之间的任何相对位置，也不存在任何事件发生的先后，所以空间和时间的概念仍是不必要的。
假设宇宙中产生了第二个不可分的粒子，那么，宇宙中产生第二个粒子的事件晚于产生第一个粒子的事件，我们就可以用时间来描述事件发生的先后了，并且可以确认第一个粒子产生的时点就是时间的开端。我们还可以用距离的概念来描述在某一个时点两个粒子之间的距离与另一个时点的距离的不同，比如在某一个时点两者的距离是三个粒子的距离，在另一个时点，两者的距离是四个粒子的距离。当粒子间的距离发生变化时，时间的概念可以用来描述两个粒子从处在某个相对距离到处在另一个不同的相对距离的先后。具体每一个事件发生在哪一个时点，却无法确定，因为并没有一个同时发生的事件可以参照。比如，在空间上，后一状态下两者的距离比前一状态下的距离大一个粒子的距离；在时间上，两者距离较近的状态先于距离较远的状态。但由于在同一个时段只发生了从一种状态到另一种状态的变化，因此由于缺乏用于参照的事件，我们仍无法用时间长短来描绘这种变化。或许有人认为假如两个粒子的距离的变化有某种规律，比如两者的距离是均匀扩大的或者是均匀地长短交替的，那么就可以度量两者状态变化的时间长短。但是，由于缺乏同时发生的用于参照的其他事件，那种规律本身也是不可能被发现的。
此外，两个粒子之间的空间关系只能被描述为距离。即便我们能够想象一个粒子围绕另一个绕圈，我们也无法用二维或三维的空间关系描述他们。由于缺乏参照物，一个粒子围绕另一个做圆周运动还是两个粒子保持相对静止是毫无区别的；一个粒子围绕另一个做椭圆运动还是两个粒子相互靠拢又相互远离也是毫无区别的。只有当宇宙中的粒子达到三个时，这三者之间的空间关系才可能是二维的；只有当宇宙中的粒子达到四个时，这四者之间的空间关系才可能是三维的。
假如宇宙中有三个不可分的粒子，我们可以把三个粒子两两间的距离命名为a、b和c。那么一个距离的变化所花费的时间可以用另外两个距离发生的变化来描述。比如a变大一个粒子所花费的时间是b变大两个粒子或c变大四个粒子所花费的时间。这种时间的描述粗略得难以想象。但是只要宇宙中的物体和事件足够多，时间的描述就会变得更精确。
时间描述的是事件发生的先后。一年、一个月、一天原先都是直接用事件来定义时间的。如今一秒被定义为铯-133原子基态的两个超精细能阶之间跃迁时所辐射的电磁波的周期的9,192,631,770倍的时间，也就是一系列事件发生所需的时间。其他的时间单位都被定义为秒的倍数。但归根结底，时间描述的仅仅是事件发生的先后。

检验医师

时间的本质与物理意义：多维度分析

时间是一个深奥且复杂的概念，它在物理学、哲学和日常生活中都占据重要位置。我们经常用时间来描述和理解宇宙中的事件，但时间究竟是什么？它是真实存在的吗？能否从物理公式中证明或证伪时间的存在？这些问题不仅涉及物理学，还跨越哲学、数学和认知科学。本文将从多维度分析时间的本质，探讨其在物理学中的意义，并尝试解答关于时间偏导和状态变化率的疑问。
综合分析

时间的本质问题自古以来一直是哲学家和科学家们热议的主题。在物理学中，时间是描述运动和变化的关键参数。爱因斯坦的相对论进一步揭示了时间与空间的密切关系，提出了时空的概念。然而，尽管我们可以通过钟表精确地测量时间，但对其本质的理解仍然模糊不清。研究时间的本质不仅有助于深化对宇宙的理解，还对物理学的基本理论和数学描述具有重要意义。
1. 时间的物理定义与相对论

1.1 牛顿力学中的绝对时间

在经典力学中，时间被认为是绝对的、独立于空间的存在。牛顿认为时间是均匀流逝的，无论观察者如何运动，其时间的流逝速度都是相同的。这种绝对时间的概念虽然直观，但在现代物理学中遇到了挑战。
1.2 爱因斯坦相对论中的时间

爱因斯坦的相对论彻底改变了我们对时间的理解。在狭义相对论中，时间与空间被统一为四维时空的概念。时间不再是绝对的，而是相对的，取决于观察者的运动状态。爱因斯坦通过以下公式揭示了时间的相对性：

其中，为运动观察者测量的时间间隔，为静止观察者测量的时间间隔，为洛伦兹因子：

在广义相对论中，时间的流逝还受到引力场的影响。引力场越强，时间流逝越慢，这被称为引力时间膨胀。
2. 时间的量子描述与量子力学

在量子力学中，时间通常被视为一个外部参数，用于描述量子态随时间的演化。薛定谔方程描述了量子态的时间演化：

其中，为量子态，为哈密顿算符。然而，时间在量子力学中的角色与经典力学不同，它不是一个动态变量，而是一个外部参数。
3. 时间的哲学探讨

3.1 现象学与本体论

哲学家对时间的探讨集中在时间的现象学和本体论上。现象学研究时间如何被感知和体验，而本体论则研究时间是否独立存在。现象学家如胡塞尔认为，时间是人类意识的构造，是我们对变化和连续性的感知结果。本体论观点则分为两派：一派认为时间是独立存在的实体，另一派认为时间只是事件之间的关系。
3.2 时间的不可逆性

时间的一个重要特征是不可逆性，即时间总是向前流动，不会倒退。热力学第二定律描述了这一现象，指出孤立系统的熵总是增加的，这给时间的箭头提供了物理学上的解释。
4. 状态变化率与时间的关系

在数学和物理中，时间偏导用于描述一个物理量随时间的变化率。偏导数表示一个变量在固定其他变量时的变化率。对时间的偏导可以表示为：

如果考虑更高阶的变化，可以计算时间的高阶偏导数，如：

这些数学工具在描述动态系统和变化率时非常重要。例如，经典力学中的加速度是速度对时间的二阶导数：

5. 人类对时间的感知与寿命归一化

5.1 心理时间

心理学研究表明，人类对时间的感知并不总是线性的，而是受到情感、环境和认知状态的影响。人们在快乐时感到时间过得很快，而在无聊时则感到时间过得很慢。这种主观时间感知与物理时间不同。
5.2 寿命归一化

在研究人类寿命时，归一化方法可以帮助理解不同生命阶段的时间体验。例如，将寿命分为若干等分，每一部分代表相同的时间比例，可以更直观地比较不同生命阶段的时间感知。
结论与展望

通过综合分析物理学、哲学和心理学的视角，我们可以看到时间是一个多维度的复杂概念。它在物理学中既可以作为相对的度量参数，又在哲学中作为意识的产物被探讨。尽管我们可以用物理公式描述时间的变化和流逝，但时间的本质依然是一个开放的问题。未来的研究可以通过量子引力理论或新的认知科学方法进一步探索时间的本质。
参考文献

• Einstein, A. (1916). The Foundation of the General Theory of Relativity. Annalen der Physik, 354(7), 769-822.
  
• Hawking, S. W., & Ellis, G. F. R. (1973). The Large Scale Structure of Space-Time. Cambridge University Press.
  
• Rovelli, C. (2004). Quantum Gravity. Cambridge University Press.
  
• Husserl, E. (1928). Phenomenology of Internal Time-Consciousness. Indiana University Press.
  
• Prigogine, I. (1980). From Being to Becoming: Time and Complexity in the Physical Sciences. W.H. Freeman.
  
• Reichenbach, H. (1956). The Direction of Time. University of California Press.
  
• Smith, P. (2003). An Introduction to Gödel's Theorems. Cambridge University Press.
  
• Rovelli, C. (2017). The Order of Time. Penguin Books.
  

清风寡欲

这个问题很有趣，或许物理系的同学都或多或少地对这个问题有过疑惑，也可能没有得到过令人满意的答案。第一次产生这个疑问有可能是在普通物理中学习狭义相对论时，老师说时间和空间没有天然的分别；有一说一，普通物理中的相对论确实有一种机械降神的感觉，虽然物理系的同学们大多不会一上来就说“这东西是错的”，但是大抵或多或少会感到疑惑。对狭义相对论比较系统的看法应当来自电动力学，我们才会真正理解相对论这样做的动机与意义。第二次产生类似的疑问可能是在理论力学课上，拉格朗日量 ，时间似乎是一个变量，似乎又不是，老师或许会讲“离壳与在壳”，或许会讲时间是一个参数而非物理量，大家都听得似懂非懂，不过似乎只要对着那些形式做运算就好了。第三次或许是在量子力学中，正则量子化将物理量变成了算符，我们找到了一对对共轭力学量算符，也有了著名的不确定度关系；但是最重要的Hamiltonian呢？它似乎无法类似地找到另一半，老师会再次告诉我们，时间不是力学量，因此我们如果想获得类似的能量-时间不确定度关系，需要借助Ehrenfest定理为定义。
于是大家记住了，时间不是一个物理量，时间是参数。插句题外话，或许有人会考虑广义相对论时空作为一个整体，那此时我们如何看待时间和空间的地位呢？事实上，这并不回答问题。因为既然我们可以在局部上进行观测，我们承认观测行为可以由观测者对时空的1+3维分解来完成，我们仍然可以讨论时间与空间在局部上的分离。另外，如果承认强等效原理，这个局部的观测还是与闵氏时空整体的观测一致的，进而取光速的无穷近似，我们还可以在低速局域极限下观测到Newton力学预言的结果。我们指出，狭义相对论使得我们可以考虑一个对于对称性自洽的物理理论，而广义相对论使得我们可以考虑整体非平坦的时空，但是这并不解决全部在Newton力学（或Lagrange力学中残留的问题）。
比如，我们可以考虑说观测者测得的时间是其固有时，那么什么是时间呢？我们事实上需要的定义是：物理学中谈论的时间，与你直觉上感受到正在流逝的似水年华，是一样的东西。
很多物理学家总是刻意在自己的理论中回避如上看上去完全不严谨、甚至说一点都不像物理的表述的，但是我们指出，这是不对的，你必须要面对一个深刻的问题，就是如何建立起你的理论与这个真实的世界之间的关系，也就是说，你凭什么说你的理论是对这个世界的描述，而非一种单纯的数学游戏。举个简单的例子，广义相对论中有个很出名的实验叫双生子实验，现代的做法是将两个原子钟放到火箭上，沿不同的轨迹发射、然后会合，对比二者测得的时间是否相同。我们知道广相给出的结论是测地线线长最长，因此只受引力的那一个原子钟测得的时间应该是最长的。但是问题是：我们无法使用一个自洽的理论描述量子引力，原子钟是量子效应，那么我们为什么可以在一个检验引力理论的实验中使用原子钟呢？我认为合理的解释是：不管是量子力学还是广义相对论，其中定义的物理量时间都是一致的，它们是两个不同的理论对同一种现象的描述，因此或许这两个理论并不兼容，但是这两个理论都可以对同一个现象进行描述，我们可以现象学地比较这种描述的结果，而不必要求这两个理论兼容。
正是基于此，虽然我是物理系的学生，但是面对这个问题，我给出的答案是：这个问题的问法错了。时间是一种现象，我们不应问一个现象是否是真实存在的，这个问题是没有意义的。而我们在各种物理理论中见到的时间，是对这种现象的描述，我们可以讨论各种描述好还是不好，比如可以说相对论的描述是比Newton力学更好的，但是从现象学的角度看，这都不涉及时间这个现象的存在本身，因为存在是先于本质的。如果我们可以用这套观点（当然，从现象学的角度看，是我喜欢这套观点，而不是这套观点优于别的做法），在面对很多物理理论时，或许可以理解地更清晰一些。