物理学家眼中的时间，居然有三幅面孔？ | Wilczek's Multiverse (8)

作者：Frank Wilczek

翻译：胡风、梁丁当

F. Scott Fitzgerald（弗朗西斯·斯科特·菲茨杰拉德），这位以《了不起的盖茨比》闻名的美国作家，曾写道：“考验一个人是否具有一流智慧，就看其能否同时包容两种相反的观念，还能正常行事。”时间正是那些迫使我们葆有多元认知的概念之一。要理解时间的科学概念需要一个灵活的头脑，更不用说掌握那些同名的心理学概念了。

现代物理学要求我们在不同的场景下用看似对立、甚至矛盾的方式来描述时间。当我以物理学家的身份审视时间时，发现它有三幅面孔。我将其分别命名为理想时间、随机时间和制造的时间。

在其奠定经典物理学根基的巨著《自然哲学的数学原理》中，牛顿对“理想时间”的本质进行了定义与运用。牛顿写道：“绝对的、真实的、数学的时间，本身、本质上是均匀流逝的，不受任何外界事物的影响，亦可称为‘持续的时间’（duration）。”

牛顿认为时间是构成现实世界的主要元素。它无法被进一步解构为更简单或更基础的部分。尽管量子力学和相对论为物理学带来了革命性变革，极大拓展了它的领域，但牛顿提出的“时间是现实的主要元素”这一观念，依然具有根本意义。

事实上，在当今基础物理学的核心方程组——即所谓的“标准模型”中，存在一个以字母t表示的、被称为时间的变量。宇宙中发生的每一个事件都被赋予了一个确定的t值。理论上，运动方程描述了这个世界会如何从一个t值的状态演化到更大t值时候的状态（这些方程也支持逆向演化，即从较大的t值回溯至较小的t值。因此，从理论上讲，我们既能预测未来，也能追溯过去。但在实际中，我们对世界状态的认知极为有限。即便我们掌握了完整的信息，这些方程也很难求解。）这个t的性质，比较吻合牛顿“绝对的、真实的、数学的”时间定义。

牛顿定义的时间，是一种独立于日常现实之外的存在。它影响着物理事件的发生，却不受后者的影响。然而，相对论让我们重新审视这一框架。相对论告诉我们，物质世界的状况会反过来影响时间的流逝。尤其在引力场越强的区域，时间流逝得越慢。全球定位系统（GPS）正是通过对比星载原子钟与地面原子钟的时间差异，来测量并修正由相对论效应引起的时间偏差。尽管这些相对论效应十分美妙，但对绝大多数应用而言，它所带来的变化只不过是细微的调整。这些修正已深度融入系统，以至于大多数用户都察觉不到它们的存在。但若忽略相对论修正，将导致每天约十公里的导航误差。

时间，以及它的流逝，仍然是我们描述这个世界的基本框架。

原子钟让理想时间变得触手可及。它们的精度令人惊叹。目前的记录是三十亿年误差才一秒，并且科学家们还在不断改进。迄今为止，所有原子钟（包括基于不同原子、位于不同地点的各型号的原子钟）对时间流逝的测量结果都完全一致——精确到小数点后最后一位。这些原子钟是全球定位系统（GPS）导航和卫星追踪等应用中的核心支柱。在这些应用中，我们通过测量交换无线电信号所需的时间来决定距离（信号的传播速度是光速）。这些科技的成功，让我们得以真切感受到“理想时间”所具有的深刻现实意义。

随机时间的运行方式则截然不同。其典型表现是放射性衰变。让我们以碳的同位素14C（即“碳14”）为例具体说明。碳14的原子核由6个质子（这决定了它属于碳元素）和8个中子构成，共计14个核子（即上标“14”的含义）。

碳14因其在测定文物年代方面的重要应用价值，其衰变过程已被深入研究。碳14的半衰期为5730年，这意味着：假若初始有N个碳14原子核，经过5730年后，将只剩一半（即N/2个）。这一看似简单易懂的事实，细究起来却极不寻常。这些原子核的衰变方式与人类衰老、食物变质或岩石风化等渐变过程截然不同。一个已经存活了5730年的碳14原子核，在下一个5730年中仍有一半的概率存活。更普遍地说，它在任意等长时间间隔内都有一半的概率发生衰变。碳14原子核在存活期间不显现任何衰老迹象。它永远年轻，保持不变，直到突然发生衰变的那一刻。

换句话说，假设你有大量完全相同的碳14原子核，或者一个碳14原子核在不同时间发生衰变，你将会观察到截然不同的结果。在任何给定的时间段内，总会有一些原子核发生衰变，而另一些则保持稳定。从统计角度看，发生衰变的原子核比例是可以预测的，但对某一个原子核来说，它的命运却是随机的。爱因斯坦有一句广为流传的名言：“疯狂就是重复做同一件事，却期待不同的结果。”照这样说来，观察碳14原子核的衰变就是对“疯狂”的绝佳体验。

许多物理学家对量子理论的一个核心观点——即概率性是自然界的内秉属性——感到难以接受。然而，放射性衰变这一事实让我们无法回避这一点。用量子理论可以很自然地解释放射现象。但这样做的时候，也意味着我们直接使用了量子理论最“疯狂”的特性：用概率性取代确定性。

碳14并非个例。许多其他同位素同样遵循这种奇特的衰变规律，只是各自拥有不同的半衰期。

颇具讽刺意味的是，尽管单个放射性原子核的行为不可预测，大量放射性核素组成的集合却为我们提供了极其可靠的“回溯时钟”。简而言之：通过测定物质中同位素的衰变比例，我们能够推断该物质的形成年代。例如，碳14的半衰期（约5730年）非常适用于测定人类文物的年代。它曾被用于鉴定死海古卷与冰人奥茨的年代。而钾40（K-40）的半衰期长达12.5亿年，可用于测定碳14已完全衰变的远古样本，比如早期人类祖先的遗骸。除此之外，我们利用其他的放射性同位素，重建了冰河时代冰川活动的历史、月球岩石的形成过程，等等。

当我们进一步深入量子世界，将接触到一个更让人费解的概念——制造的时间，或者更准确地说，是“制造的历史”。

“历史是制造的”这一思想，是海森堡不确定性原理及其推广形式的逻辑推论。让我简要回顾一下当该原理应用于单个量子粒子时所揭示的内容。

有一些实验能让你精确测定粒子的位置，也有不同的实验能让你精确测定粒子的动量。然而，至今从未有人设计出这样一种实验，它能同时实现两者的精确测量。（爱因斯坦曾多次尝试，均未成功）。根据量子理论，这并非源于人类智慧的局限，而是自然的基本特性，是维持理论数学自洽性的必要条件。

因此，根据你观测粒子时所选择的方式，它可能具有确定的位置，但有一系列可能的动量；或者，它可能具有确定的动量，但处于一系列可能的位置。

简言之，通过测量，你可以选择让粒子的哪一个属性成为其历史的一部分，而与此同时，也选择了哪一属性将无法实现。

“制造的历史”这一概念远不止于粒子位置与动量这个简单案例。把海森堡不确定性原理进行推广，我们就会发现：任何试图在历史描述中塞入过多细节的做法注定失败。量子力学迫使我们选择在历史中包含哪些内容。

尼尔斯·玻尔告诫我们：“一个深刻真理的反面，往往是另一个深刻真理。”

时间恰是这般，拥有不同面孔。它既是精准的，又是随机的；即是基本的，又是制造的。历史既铭刻于物质之中，又在选择中被构建。因此，在不同的时候，我们需要用不同的方式看待时间。