什么是真实的时间？

青草

本文翻译自《Closer To Truth》博客内容（What's Real About Time? | Episode 510 | Closer To Truth），作者只是加了小节标题，有兴趣自行收听。优质节目，值得推荐。

<hr/>您好，我是罗伯特·劳伦斯·库恩，《Closer To Truth》的主持人，我们探讨终极问题。终极问题让人类统一，无论是不同地区、种族、宗教、民族还是性别，每个人都与这些问题息息相关。我们希望将这些探讨带给世界各地的更多人和社区。



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时间的本质
现在几点了？买杂货需要多长时间？时间看起来是如此自然。
时刻的流逝、刀刃般的现在、不确定的过去以及未知的未来。
时间，作为绝对的标准。然而，看似如此自然和绝对的东西实际上并非如此。爱因斯坦震惊世界，他证明了时间是相对的。
时间的相对性
相对是什么意思？科学家关于时间又有哪些新的想法？时间的真实是什么？
我是罗伯特·劳伦斯·库恩，《Closer To Truth》是我寻找答案的旅程。
为更好地理解这一点，我来到加州大学欧文分校，拜访物理学家兼科幻小说作家格雷戈里·本福德。时间影响了格雷戈里的科学研究和小说创作。格雷戈里，时间是一个每个人都理解却难以描述的东西。
时间的迷人特性
时间一直让我感到困惑。我最受欢迎的小说之一是《时间景观》（TimeScape），因为我试图将时间描写成一种可以穿越的地貌，而不是被动地被时间推着前行。这本小说讲述了物理学家试图研究这一问题的故事，因为他们发现了一种将信息向时间的过去传播的方法。
仅仅是信息，而不是人。整部小说围绕这种研究以及它的意义展开，因为通常科学的进展是，你先有一个发现或发明，然后再逐渐理解它的意义，这也是一个非常好的小说结构。因此，到了小说的结尾，他们成功地将关于未来一场灾难的信息传递到了过去。
但他们依然生活在同一个世界里，这怎么可能呢？如何调和这一现象？
答案是：信息向过去传播，导致了宇宙分裂成两个线程。在其中一个世界中，灾难被避免了。
然而，你拯救了那个世界，但你仍然生活在另一个宇宙中。所以，某个地方的某些人变得更加幸福，而这就是你的回报，但你仍然困在你的宇宙中。
这种想法实际上非常符合量子力学的思维方式。
量子力学中的时间
我在书中引用了一种量子力学机制。这种机制使我们能够调和宇宙法则——尤其是广义相对论——的表象，即原则上可以将信息向时间的过去传播，但我们似乎从未目睹过这种现象。答案就在量子力学中。
因为它导致分裂。
没错，这种分裂正是由尝试制造的矛盾引发的，量子力学的分裂机制形成了两个宇宙。
这让我感觉，宇宙就像是在说：“不错的尝试，但别妄想了。” 宇宙的设置方式是，这些事情不仅是可以设想的，而且你甚至可以实现它，但你无法改变你的世界。这是现实的深刻教训。
关于时间和宇宙分裂的启示
当你到达这一层次时，你变得如同神一般，实际上创造了其他宇宙，但你却无法生活在其中。
这是否意味着宇宙已经多次分裂，并且存在无数这样的分支？
这是可能的，但令人困扰的是我们无法知道。所以，这意味着存在着像这样的无解问题。
空间与时间的相互关系
我们知道时空是相互联系的，但理解起来却非常困难。
例如，可以设想一个没有时间的宇宙，答案可能是“可以”，但不会发生太多事情。也可以设想其他类型的宇宙，比如拥有两条时间轴的宇宙。我们有三条或更多的空间轴，那么两条时间轴会意味着什么呢？
这意味着可以在两条时间轴之间循环移动，从而立刻创造出矛盾。
这是毫无疑问的。你可以在这样的宇宙中抛弃因果关系。会有规律存在，但你可以随时回去重新调整结果。这是什么样的宇宙呢？
这并不是我想要生活的宇宙。这是一个拥有无限多情节线的宇宙。
时间与因果关系
这表明，时间被限制为单一维度，赋予了宇宙可理解性。
是的，对我们来说是这样。但请记住，我们是从宇宙中演化出来的。我们之所以能够存在，是因为宇宙对我们来说必须是可以理解的。
那么，拥有两条时间轴的宇宙是否可能存在？如果存在，那其中会演化出什么样的生命形式？
显然，那些生命形式不会像我们一样。这是一个超越我们概念视野的例子。我们根本无法想象这样的地方，因为它完全没有意义。
或许一个有两条时间轴的宇宙根本不存在，因为即使是神也无法搞明白。
时间的动态本质
所以，时间并不是事件的静态背景，而是某种活跃且动态的东西。
时间会如何运作？时间能否膨胀和收缩？我前往加州理工学院拜访基普·索恩，一位爱因斯坦相对论领域的专家。他告诉我，时间的流逝在不同的观察者眼中并不一致。
这怎么可能？
基普，与大多数人谈论时空就像是在谈论某种绝对的、既定的事物，它似乎是我们世界的一部分。然而，时空之间有着非常紧密的联系。
的确，加利略、牛顿，以及20世纪之前的所有伟大科学家都认为空间和时间是绝对的，彼此之间没有真正的内在联系。但爱因斯坦教会了我们另一个道理。爱因斯坦在1905年的伟大见解是认识到，空间和时间是“个人化的”。
相对论与时间的个人化
你的时间以一种速率流逝，我的时间以另一种速率流逝。你看到的是空间，而我可能看到的是空间和时间的混合，这是非常精确的意义。尽管很难理解。
时间的相对性与观察
让我们从时间开始。爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论告诉我们，如果你以高速从我身边经过，我观察你携带的时钟运作时，会发现它们的滴答声比我的时钟慢。但与此同时，你也会观察到我的时钟比你的时钟慢。
所以，我看到你的时钟走得慢，你也看到我的时钟走得慢。这听起来很疯狂，对吧？
这不可能！
但它确实可能。这是可能的，因为你认为同时发生的两个事件，我并不认为它们是同时发生的。如果你携带两个鞭炮并以高速运动，然后同时点燃它们，根据我的测量，后面的鞭炮会先爆炸，前面的鞭炮会后爆炸。
时间的个人化与光速
这种奇怪的现象让人觉得时间的表现十分不同寻常。空间和时间是个人化的。你看到的是空间，我看到的则是空间和时间的混合。
在这种现象中，关键因素是爱因斯坦狭义相对论中提出的光速标准化。
爱因斯坦假设，或者更确切地说，他直觉地认为，无论一个人如何在宇宙中移动，测量到的光速总是相同的。但从科学哲学的角度深入探讨时，真正发生的事情是，爱因斯坦提出了一种定义空间和时间的方法——通过以物理法则看起来简单的方式定义时间的流动速率。比如，原子振动控制的原子钟以规律的方式记录时间。
他说，这应该是我们定义长度和时间的方法，这样物理法则看起来更简单。一旦选择了这样的定义，那么光速对所有观察者而言都是相同的，进而时间和空间成为个人化的概念。这是一个非常深刻的见解。
时空的统一性
爱因斯坦发现这种时空奇异行为时，他用“相对性”这个词来描述。但我更喜欢“个人化”这个词。时空是相对的——相对于你或者相对于我。这就是“相对论”这个名字的由来。
爱因斯坦的一位老师赫尔曼·闵可夫斯基观察了爱因斯坦的法则后说道：“如果我们将空间和时间统一为一个整体称为‘时空’，那么这些法则可以用一种更优美的数学形式表达。”
于是，“时空”被认为有四个维度：一个时间维度和三个空间维度。通过这种方式，我们可以理解空间的个人化性质和时间的个人化性质。如果你以高速运动相对于我，你可以在时空中划分出一个三维面，而这个面与你看到的和我看到的不同。
时间的“块状宇宙”理论
然而，存在一个统一的时空，将过去的历史、未来的历史、整个宇宙中的空间都结合在一起。在这个四维时空中，每一个点都是一个事件。
例如，假设时间向上延伸，亚伯拉罕·林肯的诞生是一个点，他的死亡是另一个点。他在生前经历了许多事件，比如南北战争的开始和他的暗杀，这些都在时空中留下了曲线。
我们用这条曲线来描述他的生命，这条曲线位于四维时空的“块状宇宙”中，其中空间和时间以几何的方式统一。然而，空间方向和时间方向之间确实存在差异。
在空间中，你可以前往一个地方然后再回来，而在时间中，你只能向前推进，却不能回头。时间有一种不可逆的向前流动。
未来与“块状宇宙”中的时间
那么，未来呢？
我享受未来的到来。
但是在“块状宇宙”中，未来已经在那里了吗？
在“块状宇宙”中，从数学和几何的角度看，未来确实已经存在。整个宇宙，从开始到可能的结束，都已经在那里了。这有点模糊，因为我不知道未来到底是什么。
时间的流动与“块状宇宙”理论
我认为，我知道宇宙的起源。我们做这类事情很常见。你读一本小说，整本书从头到尾的故事已经存在。但在你阅读的过程中，你会感受到时间的流动，但其实书中的所有内容已经摆在你面前。
生活在“块状宇宙”中的人感受到的是从过去到未来的时间流动。而我作为物理学家从外部来看，这一切呈现出统一的整体。
空间和时间放在一起是绝对的，但如果分开来看，空间和时间是相对的。基普说，时间和空间是“个人化”的。
空间与时间的个人化
空间和时间是个人的。我们每个人都有自己的个人空间和时间，这基于我们相对于彼此的相对运动。我并没有承诺这会很简单。
粒子物理学与时空的终结
我听说粒子物理学领域的极小尺度会导致时空的终结。因此，我前往哈佛大学，拜访尼马·阿尔卡尼-哈梅德，一位创新的弦理论学家，他将粒子物理学与宇宙的起源和结构相结合。尼马对于时间的本质有着激进的看法。
尼马，刚刚当我认为自己已经理解时空的时候，你却告诉我时空注定会终结。
时空的终结与量子力学的结合
为什么呢？时空注定会终结，这是因为量子力学和引力这两者的存在。从本质上讲，时空注定会终结，因为如果你认为时空是某种真实存在的东西，那么你应该能够在任何你喜欢的时间和空间中对其进行有意义的分隔。
我们可以讨论秒的时间间隔，米的空间间隔，但你也应该能够讨论任意短的时间和距离分隔。然而，我们知道这是不可能的，因为引力的存在，使得我们无法深入探讨非常非常微小的尺度。根据不确定性原理，我们需要使用大量的能量来探测非常小的距离。当我们试图探测足够小的距离时，能量变得过于巨大，最终会将我们试图观察的时空区域压缩成黑洞。
这使得我们无法观察该区域发生了什么。
量子引力与时空量化
正如爱因斯坦的著名方程 E=mc² 所示，能量和质量弯曲了时空，最终将其压缩。
这正是量子力学和引力结合的简化思考实验。
量子引力与时空的离散性
当量子力学和引力结合时，我们就会发现无法对比任意小的空间和时间进行分隔。而我们所谈论的尺度是普朗克长度（10的负33次方厘米）和普朗克时间（10的负43次方秒）。
所以，我们知道从简单的论证来看，时空的分隔无法理解，因为我们无法讨论任意小的时间和空间分隔。
时空的“全息”观点
让我们理解一下这种现象。那意味着空间和时间无法连续地存在下去，直到这些非常非常小的长度和瞬间。在这些时刻，时空会发生某种分离。
那么，这是否意味着时空变得量化了，就像电磁辐射有光子一样，一切都是离散的？
这是最简单的想法，实际上，确实有一些量子引力的方法非常认真地考虑了这一点。
时间流动与外部视角
我想我知道宇宙的起源。看，我们经常这么做。你拿一本小说来读，故事从头到尾已经存在。所有内容都在书中，从开始到结束都在那儿。但当你阅读时，你感受到的是故事的流动，但一切其实都已摆在眼前。
任何生活在“块状宇宙”中的人，都会感觉到时间从过去流向未来。而作为物理学家，站在外部看待，我只会看到它作为一个统一的整体。
时间与空间的结合
空间和时间，放在一起看，是绝对的；但如果单独看，空间和时间是相对的。基普说，它们是个人化的。
空间和时间是个人的。我们每个人都有自己独特的空间和时间，这取决于我们相对于彼此的运动。我没说这会很容易理解。
粒子物理学中的时空问题
我听说，粒子物理学中的现象，尤其是在极小的尺度下，会导致时空的崩塌。于是我前往哈佛大学拜访尼马·阿尔卡尼-哈梅德，一位创新的弦理论学者，他将粒子物理学与宇宙的起源和结构相结合。尼马对于时间的本质有着激进的看法。
尼马，就在我以为我开始理解时空时，你却告诉我，时空注定会崩塌。
为什么？
好吧，时空注定会崩塌，这是量子力学和引力共存的一个基本结果。我们说时空注定会崩塌，因为如果你认为时空是某种真实的存在，那么你应该能够有意义地谈论任意时间和空间之间的分离。
量子力学与引力的矛盾
我们可以谈论几秒钟的时间间隔，几米的空间间隔，但你也应该能讨论极短时间和极小空间间隔。然而我们知道这是不可能的，特别是因为引力。如果我们尝试通过不确定性原理探测非常非常小的距离，我们就必须使用大量能量。当我们达到足够小的尺度时，我们必须使用如此巨大的能量，以至于我们试图观察的时空区域会坍缩成一个黑洞。
这使得我们无法观察那个区域发生了什么。
因为根据爱因斯坦的著名方程E=mc²，大量的能量意味着大质量的物体，质量和能量弯曲时空，而这一切都崩塌了。
空间与时间的量子化
这正是我们无法探测极小尺度时空的原因。用简单的思维实验结合量子力学和引力，我们看到时空的分离在某种非常微小的尺度上变得不再有意义。我们谈论的这些尺度是普朗克长度（约10的负33厘米）和普朗克时间（约10的负43秒）。
我们知道，时空从这个简单的论证来看，不能真正“合理”地分开。
空间与时间的离散性
那么，理解这个理论意味着什么呢？这是否意味着空间和时间并非连续的，而在这些极小的尺度上，它们会有某种分离？
这是否意味着空间和时间是量子化的，就像电磁辐射有光子一样，所有的东西都是由离散的小单元组成的？
这是最简单的解释。事实上，有些量子引力的理论方法非常认真地对待这一点。
好的，我很高兴看到有人认真对待这个问题。
但是我怀疑，很多人也怀疑，这个想法太过天真了。我们很难在时空中构建一种离散的格状结构，因为这和相对论的法则不太相符。
所以，并非如此。并不是说时空有“原子”，这只是最天真的设想。
但有一些更微妙、更有趣的事情正在发生。事实上，有一个惊人的想法叫做“全息理论”（holography）。它开始为我们提供一个更加激进的图景，帮助我们理解离散性是如何发生的。
全息理论与时空的出现
全息理论的基本想法是，实际上，定义时空并不需要在空间的体积中指定那么多比特，而是需要在空间的边界上，表面上指定更少的比特。因此，你需要指定的比特数，实际上是空间表面面积（以普朗克单位为标准）的大小。
这听起来很直观上是反常的。
它完全反直觉，这也是为什么叫它“全息”的原因——就像三维信息如何在二维全息图中编码一样，空间体积内的情况也是以非常微妙的方式，通过边界上的信息来编码的。
全息术与信息的涌现

全息术的概念实际上是，实际上你需要指定的信息比空间体积所限制的要少得多，而是限制在空间的边界上。也就是说，你需要指定的信息的位数是边界的面积，以普朗克单位来计算。
这听起来违反直觉。
这完全违反直觉，这就是“全息图”这个词的来源，实际上它是三维信息如何在二维全息图中编码的方式。类似地，空间体积内部发生的事情是通过边界上发生的微妙方式进行编码的。
涌现的时空与宇宙的根本问题

那么，从这个“涌现的空间”和“涌现的时间”的概念中，接下来会有什么呢？
“没有理解涌现的时空，我们不知道如何处理任何真正的基本问题，最终将量子力学和引力结合起来，我们应该解答的问题是黑洞中心发生了什么，宇宙的起源意味着什么。涌现的时间是一个明确的智力瓶颈。”
空间和时间是涌现的，意味着它们不是基本存在的，而是从更深的东西中形成的。比空间和时间更深的东西是什么？这可能是什么？
时空与因果关系的关系

这能走多远？我在旧金山，很幸运，李·斯莫林（Lee Smolin）也在那里，他是一个创新且有争议的物理学家，目前在加拿大的周边研究所工作。李认为，重新构想时间是解释一切的关键。
一个大问题是，空间是事物发生的场所，事物在这里进入和退出吗？还是没有场所？空间只是关系的网络吗？
问这个问题的方式是，如果整个宇宙完全向左移动10米，那会有影响吗？说这样的话到底有意义吗？因为没有任何关系会改变。”
爱因斯坦的相对论与时空几何

“牛顿说是的，情况会不同。莱布尼茨说不，问这个问题是错的，因为宇宙在这里和宇宙向左移动10米没有可辨别的差异。这个问题是否空间是一个框架，一个绝对背景，还是空间是从关系网络、因果关系、变化中生长出来的现实的一个方面，这是根本性的问题。
这是现代理解爱因斯坦广义相对论的方式。所以，如果你考虑结构，一个事件发生，光从其中传播出来。我们有光锥扩展的图像。
如果你能从那里旅行……
因果关系与时间的涌现

“随着光以光速传播，它覆盖的距离越来越大。
越来越大的距离。想象一个球体向外扩展。现在，如果稍后的事件发生在这个球体内，信息就可以从第一个事件传播过去，速度低于光速。”
“所以，第一事件和第二事件之间可能会有因果关系。如果另一个事件离得太远，光无法到达那里，那么就没有因果关系。”
有趣的是，如果你列出宇宙中所有事件之间的所有因果关系，你几乎完全描述了时空的几何。
所以，尽管通常的看法是我们有空间，在空间中有关系，比如我的椅子和你的椅子，或者有因果关系，比如我推你的椅子，你稍微动了一下，这是一种人为的区分，可能是事件本身创造了空间的概念？
是的。是的。
我的意思是……
这不仅仅是一个隐喻。这是理解爱因斯坦广义相对论理论的原则和数学的最佳方式。
时间的本质与流动

现在让我们把时间带进来，因为爱因斯坦……
但时间已经在其中了，因为因果关系就是时间。”
“所以你说的是，时间也是涌现的，因为一旦你有了因，时间自然就产生了，而不是时间是我们流过的东西。
是的，如果你采取这种观点，那么因果关系是时间的基本方面，我们对时间流逝的体验是它的产物。
它是一个衍生物。
是的。”
时间的涌现与基本性

对我来说，这是一个深刻的问题。问题是，时间真的是基本的吗？它是唯一不涌现的东西，还是时间以某种方式是涌现的，或者是其他事物的结果？
当然，我们不知道答案，但不同的宇宙学和量子引力基本问题的研究方法在这些问题的不同方面上有所对立。这是我自己一直在思考的事情，我个人发现，我越来越倾向于认为时间是基本的，而不是涌现的。
与空间区分开？
是的。
所以你在拆分空间和时间？
因为在量子引力中……
听起来相当激进。”
时间的终极本质

“当然了，但这也许是解决我们试图将量子理论和引力结合起来时面临的一系列难题的最保守的解决方案。因为另一个替代方案是时间完全消失。在时间完全消失，时间是‘涌现的’观点中，世界只是一个巨大的瞬间集合，瞬间之间不一定有任何关系。
时间的关系，因果关系溶解，只剩下断开的瞬间。这确实代表了某些量子引力数学方法的恰当解释。但这些方法，虽然成功一定程度上，但也会失败。
有一个时刻，你会问，难道这个问题真的是技术问题，还是我们只是对概念的误解？
这就是你对时间的看法。
这就是我对时间的看法。
每个人都能感知时间，但没有人知道时间。似乎打着宇宙和生命的间隔节奏的隐形节拍器，隐藏着时间的复杂性。
时间的真实与爱因斯坦的贡献

关于时间，什么是真的？爱因斯坦展示了时间和空间并不是绝对的。单独来看，每一个都是相对的，个人化的。”
“集合起来，它们构成了一个基本的统一体。时间赋予现实核心活力，标记事件，构建宇宙。有些人说时间不真实。
它是事件的幻觉。还有人认为，时间，而不是空间，才是最基本的。时间是连续的、离散的，还是以某种奇异的方式涌现的？
正如英国生物学家JBS·霍尔丹所说，宇宙不仅比我们假设的更加奇异，而且比我们能假设的更奇异。”

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