時空之旅 【時空之旅-01期】爆肝1萬字！關於時間的十層理解，看看你在第幾層？

前面我們講了一期 時間到底存不存在的話題 有幸獲得了去年B站的 金之獎年度黑馬作品 上次視頻的重點 是時間是否是一個真實的物理實在 今天我們再來更系統 更深入地探討下這個概念 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 日月星辰看起來是在繞著我們轉 但實際上轉的是我們 你以為你觸摸到了它 但其實你誰也碰不到 我的視頻乍一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騙誤 時間也是一樣 本期視頻 我將用20分鐘的時間 分10層理解 來為大家逐步介紹 人類不斷刷新的時間觀 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 第一層 早期的哲學時空觀 時間這個概念 最初是起源於人們對事物發生的先後順序 因果關係的直觀感知 比如晝夜交替 四季變化 當文明發展到一定階段時 人們就開始懷疑 時間這個概念 到底只是我們定義出來的一個假想物 還是某個真實存在的東西 最早流行的時間觀 源自於古希臘的哲學家 柏拉圖的時間觀比較抽象 他認為 萬事萬物都是虛幻的 是某個理念的投影 這個理念不屬於物質世界 是唯一永恆的真實存在 而時間則是這個永恆之物的印象 它無始無終 循環流逝 世界上的一切都會重複出現 柏拉圖最優秀的學生 亞裏士多德則認為 老師的這個想法有點扯淡 他認為只有萬事萬物 纔是真實存在的 而時間則只是物體運動的技術 如果所有物質都停止運動 那就沒有時間了 不過 既然天體運動是循環的 所以他也認為 時間也是循環的 事實上 整個古希臘學術界 從最早的哲學鼻祖泰勒斯開始 到畢達哥拉斯 再到柏拉圖和亞裏士多德 或多或少都認為 時間是有循環屬性的 古印度同樣也是 循環時間觀佔主導地位 體現在佛教中 就是輪迴、無始之始 不過 影響中國古代的不僅僅是佛教 還有儒家的孔孟學說 和道家的老莊哲學 子曰 逝者如斯福,不捨晝夜 孔夫子認為 時間就像河流一樣 是永恆的 均勻流逝的 不可逆的 直到公元1世紀基督教誕生 新的時間觀才開始席捲開來 聖經認為 上帝不在時間之中 世間萬物包括時間 都是上帝創造的 因此時間有個開端 並且神學家們 還精確給出了 上帝創造世界的精確時間 是在公元前4004年 10月22日的下午8點 不過這些都是 哲學和神學上的時空觀 並不屬於科學的範疇 眾所周知 很多著名的物理學家 都曾公開嘲諷哲學 最過分的應該是理查德·費曼 他曾在費曼物理學講義中寫道 哲學家通常是智商不夠 無法成為物理學家的人 所以他們就去幹那種事情了 另外,狄拉克也曾說 在科研時 我們有一個非常有用的習慣 那就是 避免涉足任何哲學問題 霍金則更直接 他在《大社稷》 這本書中直接說 哲學已死 不過我認為 哲學也並非是一無是處 只是各自擅長的領域不同罷了 事實上 哲學有時候也能幫助人們 更好地理解科學發現的背後含義 但哲學的最大問題是過於抽象 它缺乏實證科學的嚴謹和客觀性 主觀成分較多 這就導致同一個問題下 往往會出現不同的爭議和分歧 所以接下來我們來看看 科學家對於時間的理解 第二層 絕對時間與相對時間 牛頓認為 世界上存在著完全獨立於物質世界的 絕對時間和絕對空間 絕對時間真實存在 按其固有速度均勻流逝 與一切外界事物無關 與之對應的還有一個相對時間 相對時間是對運動的度量 比如地球自轉一圈為一天 月球繞地球轉一圈是一個月 地球繞太陽轉一圈則是一年 但相對時間 只是絕對時間的一個影子 因為任何運動都不可能完全精準地 測量出絕對時間 絕對時間就像是一條方向單一 無始無終 永遠存在的河流 這和前面孔夫子的想法有點相似 在牛頓的絕對時空觀中 即便是所有物質都消失殆盡 時間和空間都還會繼續存在 牛頓的絕對時空觀 的確很好地描述了人們 對於時間最直觀的感知 但即便是像牛頓這麼牛的頂級科學家 面對時間這種抽象的存在 也仍然還是停留在主觀層面 基本上就是開局一張嘴 後面全靠猜 天不勝我李純剛 見刀萬骨如長夜 直到幾百年後 一個26歲年輕小夥的出現 才正式打破了這一尷尬局面 第三層 時間並非絕對均勻 運動物體的時間會變慢 這是愛因斯坦在1905年提出的 狹義相對論中 最重要的推論之一 意思是 我們每個人的時間流逝速度 其實都不一樣 當有個高速運動的人 從你面前經過時 你會看到他身上的時間流逝速度變慢了 他的一切動作都變成了慢放鏡頭 要理解這個現象也不難 你只需要知道一個基本的事實 那就是光速不變 我們知道 速度都是相對的 比如 汽車在高速上開得很快 100千米每小時 也就是28米每秒 但當你也上高速後就會發現 其他的車基本上都和你相對靜止了 一點也不快 這很容易理解對吧 但光速並不是這樣 光速大概是每秒30萬公里 假設你有一輛跑車 這個車可以瞬間開到光速的99.9999% 現在你開著它去追一束光 由於你跟光速差不多 按理說 你會看到這束光幾乎和你相對靜止 你甚至應該可以抓到那些光子 對吧 但實際上並不會 你會看到 這束光仍然比你快30萬公里每秒 並且 不管你是繼續加速還是停車 你看到的光速 都不會發生任何變化 這就是光速不變 這件事在1887年 已經被邁克爾·迅莫雷實驗所證實 具體的實驗原理 咱們在之前的相對論系列中已經介紹 這裡就不再詳述 面對這種極度反直覺的現象 在所有的物理學家 都在試圖用以太等學說來解釋它時 只有愛因斯坦敏銳地察覺到 這個光速不變的不凡之處 並很快接受了這個事實 而只要你接受了這個事實 稍加思考你就會發現問題所在 現在你正在開車追那束光 因為光速不變 你會看到這束光瞬間離你而去 但此時我在地面上看到的 卻是你倆幾乎齊頭並進 這束光花了好幾個小時 纔跟你拉開一丁點距離 問題就來了 我倆看的是同一個事件 你覺得只過了一瞬 而我卻等了好幾個小時 所以在我看來 你的一切都是慢動作 你仔細感受一下這個時間上的差異 只要光速不變 時間就必須變 第四層 時間和空間是一個整體 密不可分 狹義相對論的出現 直接給牛頓的絕對時空觀 宣判了死刑 人們開始意識到 時間和空間 並不是我們想像的那麼簡單 我們需要一套新的時空觀 就在狹義相對論提出兩年後 1907年 愛因斯坦的數學老師 赫爾曼·明可夫斯基 首次提出了四維時空的概念 他將一維的時間 和三維的空間結合在一起 創造出了一種全新的四維時空 叫做閩式時空 通過該四維時空 明可夫斯基從幾何的角度 完美解釋了狹義相對論 在閩式時空中 一個物體的運動 被三維空間的XYZ和時間T統一描述 它不再只是在三維空間裡運動 而是在四維時空中運動 你可能聽說過 這樣一句很唬人的話 一切物體在時空中 都在以光速運動 沒錯 在閩式時空的數學表述中 一個物體四維速度的摩的平方 剛好等於光速C的平方 這是一個恆定的值 所以只要物體在空間的移動速度變快 它在時間上的分速度就會變慢 只有當你在空間上的速度達到最小時 時間上的分速度才會達到最大 這就是你的固有時 也就是自己看自己的時間 從閩式幾何的角度理解狹義相對論 那麼一切都會變得非常簡單 這揭示了時空本質上 也許真的就是一種幾何結構 愛因斯坦為此深受啟發 廣義相對論的雛形 開始在這個年輕人的心中萌芽 第五層 時空是可以彎曲的 彎曲的時空纔是引力的本質 1915年 愛因斯坦發表了廣義相對論 廣義相對論的核心思想其實也很簡單 就兩句話 物質告訴時空如何彎曲 時空告訴物質如何運動 在廣義相對論中 時空不僅是一體的 它還能彎曲變形 任何有質量的物體 都會彎曲它周圍的時空 這會導致原本在時空中運動的物體 其時間上的流逝速度 會有一部分轉化為空間上的速度 這就是引力的本質 質量越大的物體 其周圍的時空彎曲的就越厲害 對應的時間流速就越慢 當你站在地球上時 你的上半身 就要比你的下半身老得更快 高樓層的人 也會比低樓層的人老得更快 但由於地球的質量很小 所以這個效應一般人也看不出來 然而對於宇宙中的極端天體 黑洞 這個效應就很明顯了 黑洞也叫動星 它凍結的不是物質 而是時間 在黑洞外面看 黑洞事件世界處的時間流逝 幾乎完全停滯 如果你的朋友不小心落向黑洞 你會看到他的身影逐漸變慢 然後定格在黑洞的邊緣 無限紅移 直至消失不見 但與此同時 你的朋友並不會這麼覺得 他只是正常地穿過事件世界 落入黑洞 迎接未知的命運 廣義相對論 解釋了萬有引力定律 無法解釋的一些現象 比如水星靜動 以及星光偏轉 並預言了黑洞引力波等神奇現象 一百多年來 經受住了無數實驗觀測的考驗 所以我們暫且可以認為 在宏觀尺度上 時間和空間本身就是一體的 它是一種可伸縮的思維幾何結構 第六層 時間穿越並非科幻 結合前面的理解 我們可以得出一個有意思的結論 時間 是可以穿越的 但理論上 我們只能穿越到未來 而無法回到過去 如果你想穿越到一百年後的地球 目前來看 有兩種辦法 一個是坐高速飛船出去溜達一圈再回來 當然 這裡涉及到加減速的問題 但根據雙生子楊謬 等你溜完回來後 總的來說還是會比地球上的人更年輕 甚至即便是你出去跑歌步 或者坐趟高鐵 等回來時 就已經穿越到了未來 只不過穿越的時間太短 無法察覺 另一個辦法 是找一個黑洞 然後想辦法去它附近待上一小會兒 當然這個辦法存在一定的風險 萬一出點岔子 回來後 可能地球都已經不在了 或者一不小心掉黑洞裡 那你這個號就廢了 電影《星際穿越》的男主庫珀 就是因為去黑洞附近做任務 結果出了岔子 回來後 飛船上的同事已經老了幾十歲 第七層 時間有個開端 根據目前主流的宇宙起源學說 大爆炸理論以及暴漲理論 不管宇宙到底有多大 是有限大還是無限大 在宇宙的138億年前 所有的空間都是集中在一起的 宇宙的開端 或許源自於高能真空的 某次隨機的量子掌握 而既然廣義相對論認為時空一體 那也就意味著 138億年前也是時間的起點 至少是我們這個宇宙的起點 第八層 時間的方向不只和商增有關 還有量子力學 人們一提到時間的方向 往往就會想到 那個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 趨於一個穩定的分佈 這是統計學的要求 這確實也是造成各種宏觀現象 不可逆的根本原因 所以有的物理學家猜測 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 這對於宏觀世界還說得過去 但對於單個分子而言 它只是不停地和別人碰撞而已 它並沒有什麼統計學規律可言 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 那麼在微觀尺度下 時間的方向體現在哪裡呢? 還得是量子力學 牛頓力學的很多方程 都是時間平移對稱的 意思是系統在不同的時間點下 遵循相同的物理規律 但薛定諤方程的波函數 並不是這樣 當我們對一個粒子進行觀測前 它的疊加態由波函數描述 這是一個隨時間變化的狀態 但當我們對粒子進行觀測時 它的波函數會攤縮到某一個確定的狀態 這個過程是不可逆的 攤縮前和攤縮後 是完全不同的物理規律 這種微觀尺度下的不可逆 是我們日常生活中無法感知到的 但這或許比商增 對於時間的意義要更加深刻 第九層 普朗克時間並不是時間的最小單位 說到量子力學中的時間 那就不得不說下普朗克時間 很多人一聽說普朗克長度 普朗克時間 就覺得我們這個時空 是像顯示屏像素那樣 是離散的 是有最小單位的 其實並不是 普朗克這個單位 最初確實是起源於 普朗克在公式中湊出來的能量子 也就是能量的吸收和發射 並不是連續的 而是一份一份的 但普朗克時間 並不意味著時間就是不連續的 它只不過是結合量子力學和引力理論 經過量剛分析計算 得到的一個時間單位 在這個時間尺度下 量子效應和引力效應 變得同樣顯著 而我們目前的所有理論中 還沒有一個能很好的描述 這個尺度之下的物理現象 簡單來說就是 普朗克時間和普朗克長度 是現有理論能描述的極限 但它並不是宇宙時空本身的極限 第十層 時間根本就不存在 該觀點出自於著名意大利物理學家 卡洛·羅偉利 他是圈量子引力理論的開創者之一 他在《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 當然 他說的這個不存在 和你理解的不存在可能有點差異 在書中 羅偉利先是列舉了 我們日常對時間的感知 然後指出 在相對論中 時空一體 整個時空是個連續光滑 可伸縮的幾何結構 並且還會受到物體的運動速度 以及物質分佈的影響 但在量子力學中 時間和空間 又並沒有什麼聯繫 由於不確定性原理 它還和能量存在共惡關係 在極小的尺度下 能量開始變得不確定 甚至不再守恆 此時的時空也不再光滑 它存在著量子掌握 就像飛行員在高空遠看大海時 一片平靜 但近看時 卻充滿著泡沫與浪花 並且在人們試圖統一廣義相對論 和量子力學時竟然發現 我們以前各個理論中所依賴的時間替 變得不再重要 物理系統的演化 不再由一個獨立絕對的時間參數來描述 這讓物理學家們 開始再次懷疑時間的真正意義 同時在量子糾纏中 兩個在空間上相隔很遠的粒子 可以瞬間互相影響 達成協調 雖然我們可以勉強用同一個波函數 來解釋這兩個粒子之間的行為 但這還遠遠不夠 我們需要一個更根本的解釋 綜合上述各種現象 羅偉利認為 我們現有物理學體系中 對於時間的定義 離它的本質還相差甚遠 真正時間的本質 必然是更加深奧和複雜的 或許它是一個由微觀粒子的運動 和相互作用 而湧現出來的複雜網絡 而絕不是簡單的線性流逝 在這種意義上 他說時間不存在了 並不是說沒有時間這個東西 而是說 我們所感知到的 以及現有物理學體系中的時間 只是一種表象 是某個背後更深刻現象的冰山一角 簡單說就是 革命尚未成功 同志仍需努力 大氣層 這一層 我們說說對時間的感知 不同的物種 不同的人 甚至同一個人 在不同的時刻 對時間的感知都不一樣 前面十層討論的 都是實際物理意義上的時間 但通常情況下 我們在乎的 並非是客觀事實 而是主觀感受 你真正感知到的時間快慢 和真實的時間快慢 其實是兩回事 2013年 都柏林大學的凱文·希利博士 在《動物行為學》雜誌上 發表了一篇論文 他說 我們已經知道 不同動物所感知的時間快慢 是不同的 然後在2022年的 《新科學家》週刊網站上 又報導了最新進展 為什麼你很難徒手拍死一隻蒼蠅 是因為蒼蠅感知到的時間 比我們慢四倍 蒼蠅眼中的世界 是一個慢放了的世界 同樣 一歸年等於四人年 在冷皮龜眼中 世界就像是按下了四倍速快放 它所看到的時鐘指針 其實是在飛速轉動 這一切背後的科學原理 其實是和一個叫做 CFF的指標有關 這是大腦視覺系統 識別畫面閃爍頻率的上限 不同的CFF值 代表了不同物種間 大腦接受和處理圖像的速度差異 這是一種動態場景的感知能力 科學家認為 這在一定程度上 也反映了大腦對於時間的感知力 一般來說 動作快 反映靈敏的動物 特別是體型小能飛行的動物 對時間的感知力更強 在研究的138種動物中 蜻蜓的CFF值最高 達到了300 這也許和它發達的復原有關 狗是80 人類是60 極光海星最低 連一都不到 所以 即便蒼蠅的平均壽命只有一個月 但是它實際體驗到的一生 要比我們看到的長得多 別看海龜雖然客觀壽命長 它實際體驗到的歸生 其實也沒有那麼長 動物們不同的時間感知能力 也許只是自然演化出來的一種適應 你想 既然烏龜有龜殼保護 就不需要有蒼蠅那樣的快速反應能力 也就沒有必要把精力 浪費到感知世界的多變細節中去 於是 它選擇快進播放 更進一步 如果宇宙中 存在著一種體型巨大的超級意識體 我們感知到的各種微小變化 對它來說 都沒有意義 它只需要感知到 宇宙尺度下的變化就行 那對它來說 星系的誕生與毀滅 或許只不過是眨眼之間而已 在我們看來 光速每秒只能走30萬公里 可對於這種超大時間尺度上的意識體來說 它的一眨眼 光或許已經跨越了幾百億光年 莊子說 既浮游於天地 渺滄海之一粟 宇宙是如此的浩渺無窮 而我們只是 寄居在其中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 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 從宏觀下的熱力學第二定律 到微觀的薛定諤方程 最後到量子引力理論 人們一次又一次刷新著對時間的理解 或許時間的背後 真的有著某種更加深刻的存在 在那裡 我們可以俯視整個思維時空 一切都沒消失 一切都還在 既如此 我們又何必深陷過去 擔憂未來 我們能抓住的只有現在 又或者說 只有現在 纔是我們唯一擁有 永恆的時間