2023金知獎獲獎稿件 【靈魂拷問篇-02問】時間到底存不存在？從狹義相對論到圈量子引力，一個視頻，為你重塑現代科學時空觀

去年端午節 我們講了一期關於宇宙到底有多大的問題 有幸被收錄到了B站紀錄片 《科學未解之謎》的特別企劃 今天咱們來說個更大的問題 時間 我將用十分鐘左右的時間 努力讓大家相信一個事實 那就是 時間也許並不存在 如果有不同意見的小朋友 歡迎打在彈幕上或者評論區留言 我會和大家做進一步探討 科學很多時候都是違反常識的 比如 大地看起來是平的 但實際上是個球體 天空看起來是在繞著我們旋轉 但實際上旋轉的是我們 石頭看起來是實心的 但實際在微觀尺度上是無比空曠的 我的視頻聽起來像是個營銷號 但實際上裡面都是真知識 很多一開始看起來顯而易見的認知 到後來發現都是一種主觀偏誤 時間也是一樣 我先問大家一個最基本的問題 同一棟樓住在高層和低層的人 家裡的鐘走的都是一樣快嗎? 對此牛頓肯定會說 那必須是一樣的 時間和空間是各自獨立的 它總是均勻地向前流逝 在任何位置任何人身上都一樣 它是絕對公平的 這就是牛頓的絕對時空觀 絕對時空觀 很好地描述了人們對於世界最初的認知 在幾乎所有人的感覺上 時間應該就是這樣的 但事實並非如此 現實是 高樓層的人比低樓層的人老得更快 這是由狹義相對論的時間膨脹 和廣義相對論的引力紅移 共同作用的結果 具體原理是什麼呢 拋開你思維裡的一些固有認知 其實也並不難理解 首先你要接受一個基本的事實 那就是光速不變 什麼意思呢 我舉個簡單的例子你就知道了 大雁飛得很快 但如果遊艇的速度和它一樣快 那你們就相對靜止了 這很容易理解對吧 但是光速並不是這樣 光速大約是每秒30萬公里 假如有一天你想和光來個賽跑 我在地面上打開手電筒的同時 你乘坐一艘速度非常接近光速的飛船 來追這束光 你覺得你在飛船上會看到什麼 從直覺來看 這束光應該是以非常緩慢的相對速度 離你而去 對吧 然而事實並非如此 事實是 你看到的這束光的速度 依然是每秒30萬公里 這就是光速不變 也就是說 無論你怎麼運動 朝哪個方向運動 你測出來的光速都一樣 分毫不差 這件事在1887年 已經被邁克爾遜和莫雷所證實 具體的實驗原理 咱們在之前的相對論系列視頻裡已經介紹 這裡就不再詳述 你可能會想 這個光速到底為什麼不變 這也太奇怪了 很遺憾 目前暫時還沒人知道 但是 這個鐵板釘釘的事實 你得試著接受 現在 假設你已經成功接受了這個事實 我們再回到前面光速賽跑的例子 你正在飛船上追那束光 因為光速不變 你在飛船上 看到這束光 以每秒30萬公里的速度 瞬間離你遠去 而我在地面上看到的這束光 也是30萬公里每秒 所以在我看來 你和這束光 幾乎是齊頭並進 這束光花了好幾個小時 纔跟你拉開距離 重點來了 由於我倆看的是同一個事件 對於這個確定的事件 你感覺只過了一瞬 而我卻足足等了好幾個小時 你仔細感受一下 這個時間上的差異 造成這個結果的因素 只是因為你在相對我運動 這就是狹義相對論的一個重要推論 運動物體的時間會變慢 很不可思議對吧 先平復一下思緒 神奇的還在後面 愛因斯坦還有個廣義相對論 廣義相對論的思想其實也很簡單 就兩句話 物質告訴時空如何彎曲 時空告訴物質如何運動 和牛頓經典時空觀不同的是 在相對論中 時空一體無法單獨拿出來討論 廣義相對論認為 任何有質量的物體 都會彎曲它周圍的時空 這會導致物體原本在時間上的流逝速度 會有一部分轉化為空間上的速度 質量越大的物體 其周圍的時間流逝速度就越慢 對於宇宙中的極端天體 黑洞 它周圍的時空坐標 因為彎曲得太劇烈 幾乎被完全翻轉 所以越靠近黑洞中心 時間的流逝速度就越慢 如果你的同伴不幸掉入黑洞 身處黑洞外的你 將會看到他的身影 永遠定格在黑洞的邊緣 也就是事件世界處 直至時間的盡頭 但同時 你的同伴並不會這麼覺得 他只是正常地穿過事件世界 落入黑洞 迎接未知的命運 所以 樓層高的人 一方面因為地球的自轉 期限速度越大 時間越慢 另一方面 因為離地心越遠 時空彎曲程度越小 時間又過得越快 那這兩個因素 到底誰影響更大呢? 美國國家標準局的科學家 曾做過研究 在地球的引力場中 30釐米的高度 和每小時40公里的速度 所產生的時間膨脹效果 大致相同 所以綜合來看 時空彎曲的影響要更大一些 在地球上 越高的地方 時間就過得越快 GPS定位系統 如果不考慮這兩個因素 其精度就會差出去十幾公里 你的上半身 也要比你的下半身老得更快 雖然在人體上差異很小 但你得知道 這個差異是真實存在的 現在我們知道 宇宙中並沒有一個統一的時間 我們每個人的時間流逝速度 也都不一樣 所謂的天涯共此時 也只是文人騷客的一種主觀意象 看到這裡 人們對時間的認識 已經達到了一個非常深刻的地步 但無論是牛頓力學 麥克思維電磁學 狹義相對論 還是廣義相對論 方程裏都仍然有個時間參數 他們所描述的 仍然都是 事物如何隨時間變化的規律 直到1963年 美國科學家惠勒 以及布萊斯·德維特 通過將廣義相對論 和量子力學結合 得出了一個新方程 惠勒將其命名為 德維特方程 而有意思的是 德維特卻堅持 要將其命名為惠勒方程 後來別人乾脆就稱其為 惠勒·德維特方程 他開創了一個 直到今天 仍在深入研究的領域 圈量子引力理論 神奇的是 在惠勒·德維特方程中 時間體消失了 這也就是說 當我們試圖寫下 描述這個世界的終極理論時 時間就不存在了 這意味著什麼 這讓我們不得不重新思考 時間存在的定義 小朋友們應該還記得 物理老師曾說過 所謂物理 就是研究物體運動規律 和物質基本結構的一門學問 而要知道物體運動規律 就需要測量物體的位置和時間 那這個時間是怎麼測的呢 你可能會說 看錶啊 這個表走了多少格 就是多少秒 但實際上 看錶其實看的 只是指針的位置 你實際上描述的 只是鐘錶指針位置 和物體位置的一種映射關係 或者換個角度 我們知道 一年有365天 一天有24小時 一小時有60分鐘 一分鐘又有60秒 所以一開始 人們用地球平均公轉週期的 3153萬6千分之一 作為一秒的定義 後來隨著量子力學的發展 人們發現了超高精度的量子週期 測133原子基態的 兩個超精細能級之間 月圈所對應的輻射週期 並據此更新了秒的定義 並一直用到今天 但無論如何 我們總是在用一個物體的運動 描述另一個物體的運動 時間似乎只是人們 為了方便描述世界 所抽象出來的一個物理量而已 實際上 它是可以被抹去的 比如 你每天7點起牀這句話 其實也可以描述為 你每天在太陽 如此這般的一個位置時起牀 你看完這個視頻對應著 測133原子 能級月圈了多少多少次等等 根本就不需要用到時間這個概念 對此 圈量子引力理論的開創者之一 著名義大利物理學家 卡洛·羅韋利 結合最新的研究 在《時間的秩序》這本書中 提出了一個驚人的論斷 時間根本就不存在 但是 如果時間不存在 那為什麼在我們的感知中 時間永遠都是朝向未來 而無法回到過去呢 一個東西如果不存在 那它為什麼還會有方向呢 所謂覆水難收 破鏡無法重圓 又是為什麼呢 答案是 著名的熱力學第二定律 商增 商增說的是 一個孤立系統的總混亂度 不會減小 只會增大 或者也可以表述為 熱量不能自發地 從低溫物體轉移到高溫物體 這是因為 溫度本質上 只是一大堆分子的熱運動 大量分子的碰撞 會將所有分子的動能 趨於平均化 這是統計學的要求 假設有個一邊空氣 一邊真空的箱子 打開隔板後 空氣分子就幾乎不可能 再自發地全部回到左邊 這也是造成各種宏觀現象 不可逆的根本原因 所以物理學家們猜測 我們之所以感覺 時間有個方向 就是因為 時間的箭頭 永遠和熱量有關 時間永遠指向商增的方向 時間和商 可能只是同一個現象的 不同描述而已 但是 對於單個分子來說 它只是不停地 和別人碰撞而已 它並沒有規律可言 商的本質 只是分子熱運動 在統計意義下 所表現出來的一種宏觀趨勢 而統計學 並不是一門完全精確的科學 它忽略了很多細枝末節的信息 只關注宏觀表象的規律 所以 溫度和商 只不過是我們在 無法獲得所有精確信息時 對世界的一種 簡單粗糙的描述 即便商增確實是一個 宏觀上不可逆的事實 但這對於單個粒子而言 沒有意義 它只是做著 自己該有的運動而已 你們認為的無序或者有序 與它沒有任何關係 所以當我們想要細緻地觀察 進入量子的世界 看到更細微的粒子怎樣運行 研究物質和空間的本質時 時間的概念自然就消解掉了 就像羅偉利 在一次主題演講時所說 時間是個很有用的概念 它可以很好地描述 我們這個宏觀世界的規律 但它也許並不是一個 真實的物理存在 最後 我來為大家總結下今天的內容 對於時間這個古老的話題 從牛頓的絕對時空觀 到狹義相對論的時間膨脹 再到廣義相對論的時空彎曲 從熱力學第二定律 最後到圈量子理論 引出的時間並不存在 人們一次又一次 刷新著對時間的理解 但這還遠沒有結束 時至今日 儘管前方的路仍舊漫長 但我們探索的腳步 一直都未曾停歇 宇宙是如此的浩瀚無窮 而我們只是 出生在一個微不足道的小角落 人類這個物種也並不完美 幸運的是 在追求真理的過程中 總是有著那麼一批人 他們熱衷於 思考那些終極的問題 他們能將目光投向遠處 去發現那些更複雜 更深刻 更美麗的理論 探尋世界的真相 思考我們自身 如果時間真的不存在 世界也只是宏觀表象下的一種錯覺 那我們又是什麼? 最後引用一下 《羅偉麗在時間的秩序》 這本書末尾的一段話 我不是此刻靠在沙發上 在電腦上打下字母A的這幅軀體 我是自己的念頭 我是我的熱愛 我的絕望 我是那個一分鐘以前 為自己泡了杯茶的人 我是那個剛剛寫下 正在完成的這個句子的人 我的生活由此構成 我們是故事 被置於眼睛後方 20釐米的複雜之地 我們是事物混合在一起 留下的痕跡畫出的線 朝向相增的方向 朝向未來的時間