時間存在嗎？你可能會對這個問題嗤之以鼻：“當然嘍，時間肯定存在！否則的話，鬧鐘不會大清早把我從被窩裏拉出來，一節課不會要上45分鐘，老爹老孃不會一把年紀，而我也不是黃毛小子……”

的確如此，時間在流逝，我們需要承受其加諸於我們的效應。那麼，何謂“時間”？是小時嗎？早在4000年前，埃及人和巴比倫人就依據太陽在空中的運動軌跡——這其實是地球自轉造成的表相——將一天劃分爲24小時。

直至1960年，1秒都相當於平均太陽日的1/86400。可是，問題出現了：這意味着地球一直在勻速轉動。然而，事實並非如此。隨着觀測和測量技術的昌明發達，天體物理學家意識到，地球的自轉速度不是一成不變的。在月球引力的作用下，地球的自轉速度平均每個世紀減緩0.00164秒。微不足道。

不過，經過數個世紀的積累，一天會變得越來越長，每秒的長度也將因此而改變。麻煩嘍……你能想象1米隨時間推移變成1.01米、1千克變成1.2千克嗎？絕對不行！爲了精確計量時間，1秒在任何時代都應該是1秒！物理學家開始着手尋找某種固定持續1秒的現象以解決難題，它必須完全穩定，和地球自轉沒有任何關係。於是，到了20世紀60年代，1秒變成了“銫-133基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震盪9192631770周”。

人們根據原子振盪來定義1秒的長度。激光刺激下的鍶原子比目前的官方標準銫原子鐘更精確。

換個簡單說法，就是……當你向某個原子，比如銫-133施加能量，它會立即吸收，並以電磁波的形式再將能量釋放出來。這種電磁波可被視作一連串在水面擴散開來的波浪，有波峯和波谷。好了，當你數完9192631770個波峯和波谷，正好過去了1秒。鑑於原子不會隨時間改變特性，1秒的長度從此恆定不變。

跟隨原子的節奏

但是，這個定義能具體告訴我們時間是什麼嗎？不能。舉例來說，當我們使用米尺來計量木板的長度，在得到數值之前，我們的雙眼就能直觀地感知到長度。當我們說到某個物品的質量，我們清楚地知道物品的質量取決於其構成物質。

可時間呢？它看不見摸不着。那麼，我們測量的是什麼？虛無。無論我們的參照物是地球自轉抑或錶針轉動，我們只是在不同的時長之間比較。假如洗碗時，手錶的分針移動了1/6圈，我們能推斷出用了10分鐘；假如午睡時，太陽在空中偏移了15°，那就說明睡了1小時……無論何時，我們總是通過對比另一種運動來評估一個行爲的用時。

我們看見錶針在動，於是我們說“這就是時間”……但在物理學家看來，這顯然不夠，他們希望“看見”時間，比如構成時間的基本粒子，就像他們已經捕捉到的“產生”質量的希格斯玻色子。

在大型強子對撞機觀測到的因質子碰撞而產生的希格斯玻色子候選事件：上方的緊湊渺子線圈實驗展示出衰變爲兩個光子（黃虛線與綠實線）的事件，下方的超環面儀器實驗展示衰變爲四個μ子（紅徑跡）的事件。

只不過物理學家越是想要確定時間，後者就越是不可捉摸……“時間不可捉摸？怎麼會，至少有些概念是我們確信無疑的，比如，過去現在和未來……”你真的這麼以爲？那就來談談現在吧。所謂“現在”，就是你念出這兩字的當時當刻，而這一刻似乎放之四海而皆準，你是這麼想的吧？但你會發現事情沒那麼簡單。

舉個例子吧，比如你想知道“此刻海王星上發生了什麼”。很難精確回答這個問題。

這樣說吧，假設在這顆距離太陽45億千米的氣態巨行星的衛星上，人們建立了基地。駐紮在那邊的朋友和你用超現代的Skype保持聯繫。只要他願意，你就能在他的房間裏面看見他。他也如此。

時差

早上9點，你到達自己的房間，打開電腦，想知道你的朋友同一時間在幹嘛。電腦屏幕上，你看見他坐在牀上閱讀。由此得出結論：在你打開電腦的同時，你的朋友正在看書。那麼他一定也能看到你的即時所爲吧？

同一時間，如果你的朋友放下書本，坐在牀上望向電腦，他會看見你來到電腦前面嗎？不會。他會看見你的臥室一片漆黑。

光線從地球抵達海王星需要 4 個小時，因此，你在地球上看見海王星衛星上的朋友，那已經是 4 小時前的他了。同樣的，他看見的也是 4 小時前的你！所謂“現在”，着實難以定義……

這很正常：現在是凌晨1點，你當然在呼呼大睡。凌晨1點？沒錯，因爲信息傳遞也需要時間，而速度不可能超過光速（略小於300 000千米/秒）。圖像大致用了4小時才走完從地球到海王星的距離。

因此，早上9點你看見的關於你朋友的圖像，其實4個小時之前就已經攝錄下來。而在你的電腦屏幕上，你看見你的朋友在看的關於你的影像更要早上4個小時。兩個4小時，就是8小時的時差。好一個同時啊！由於距離這個因素“作祟”，三個不同的時刻同時存在於所謂的“現在”中。對於一個“顯而易見”的概念來說，這也夠尷尬的……

各有各的時間

這還沒完。距離不但妨礙我們定義一個共有的現在，而且不同星球上時長還不一致！這是愛因斯坦的重要發現之一，他的狹義相對論對此進行過論述。

假如你乘坐高速飛船繞月球飛行，飛船上的你會覺得時鐘的運動一切正常。你地球上的親人也有同樣的感覺。只是……當你返回地球后，他們會劈頭蓋臉地罵你：“你不是說只去3天嘛，怎麼走了一星期！”你表示抗議：“沒有啊，就去了3天啊！”

怪事出現了！你們拿出各自的手錶來證明，手錶證明你們都沒瞎說……對於你的親人和你而言，時間都在正常流逝。可是，時長並不一樣。這是怎麼回事？因爲你的運動接近光速，導致手錶不再同步運轉。想要弄明白這等怪事，只要讀一下光子鐘的內容就行，你就會發現真相併不神祕。

此外，看過《星際穿越》的讀者已經知曉有時間膨脹這麼回事，這是電影中的一個重要設置。

在 電 影《 星 際 穿 越》中，主人公庫珀和布蘭德在一個接近黑洞的星球上滯留了幾分鐘才返回遠處的飛船。踏上飛船後，他們發現同伴老了 20 多歲！時間膨脹簡直是駭人聽聞。但這次並不是速度擾亂了時鐘，始作俑者是引力。根據愛因斯坦的廣義相對論，可以把引力看作是空間和時間的扭曲。

因此，即使能和海王星建立實時聯繫，但由於星球轉速不同，還是會引起時差。愛因斯坦曾證明，處於相對運動中的兩位觀察者是無法在“同時性”這個概念上達成一致的。

當然，狹義相對論的結果只有在接近光速的條件下才能感知，繞太陽轉動的地球和海王星並不屬於此種情況。實際操作中，我們能夠在海王星和地球之間營造某種“同時性”，但只是近似，在物理學家眼中離正宗的“同時性”差得遠呢。

所以說，所謂存在一個巨型的萬能鐘錶，能夠統一地爲仙女座星系（距離我們250萬光年）和銀河系計時，從而爲所有人定義出“過去”、“現在”和“未來”，這是想得美。

仙女座星系

沒有普世的時間，時間因人而異。只不過在宇宙某個小小的角落，在我們地球上，相對論的效應微乎其微。我們由此產生錯覺，以爲普世的時間真的存在，這只是因爲我們對這個問題鑽研得還不夠深入……

沒有過去和未來的粒子

方纔的太空之旅稍稍改變了你對時間的認知？別指望向物質核心的漫遊能帶來更舒服的答案！原子核裏的質子會聽見時間的滴答聲嗎？

不會……時間之河從它們身上流過，就像水流掠過鴨毛，不留一絲痕跡。質子不會衰老。質子不會死亡。保守估計，它有10^33年壽命，遠高於宇宙的歲數。圍繞質子運行的電子也是如此，它們是永恆的。時間不會對它們造成影響。

質子夸克結構的簡單示意圖，每個單獨夸克的顏色可以隨意設定，但是必須用到三種不同顏色，混合成爲白色。

好吧，老實說，這些都是例外。很多粒子有生命年限，從萬億分之一秒至數個小時，此後便衰變成其他粒子或純能量。啊！總算有看似正常的現象了……也只是看似而已。因爲粒子和時間的關係有點活絡。它們會輕而易舉地把“過去”和“未來”攪成一鍋粥！想象一下倒放電影的情形，你立馬就能明白是怎麼回事。

當物理學家觀看他們最爲鍾愛的“大片”之一——質子碰撞時，他們可以從結尾看到開頭，也能從開頭看到結尾，毫無難度。根據物理法則，只需滿足一項條件：倒放的電影應透過一面特殊的鏡子來觀看，這鏡子不僅能倒置影像，還能顛倒其量子特性，從而使其和正向播放的影片一模一樣。

對於我們而言，即使是在鏡子中，倒放的電影也是無法理解的。但在粒子物理學的範疇中，時間能夠向不同的兩個方向流逝。你將發現這個理論能帶着我們走很遠。你聽說過反物質吧？每個粒子都擁有其反物質：相同的質量，但電荷（以及其他量子特性）相反。反物質粒子就像是粒子在“特殊”鏡子當中的倒影。

儘管讓反物質變得家喻戶曉的是《星際迷航》（柯克船長的“進取”號飛船正是用反物質作爲燃料），但它其實真的存在！

星際迷航海報

正電子作爲電子的反粒子已經多次被探測器探察到。然而，反物質和物質的一大特點是：兩者無法共存。正電子和電子一旦相遇就會消失，轉變成兩個光子。

亂七八糟的時間

不過這次“相遇”還有另一種詮釋方式：電子碰到的不是正電子，而是在時間中逆行的光子！整個過程就像是兩個粒子交換了各自的行進路線。

逆行的光子於是沿時間之河而下（這不會改變它的屬性：光子正是它自己的反粒子，根本無法區分一枚時光倒流的光子和一枚沿時間之河而下的光子），而電子則開始沿時間之河回溯而上。在我們的眼中，它就是和電子質量相同的粒子，但所有特性正好相反，也即所謂的正電子，電子的反物質。

關於反物質的這一闡述解釋了爲何所有粒子都有自己的反粒子，質量相同，特性相反。因爲每顆粒子都有可能撞上某顆回溯時間的光子，自己也逆時而行。不過你要明白，這只是對反物質的一種解釋，甚至連一些物理學家也覺得荒誕不經呢。

管他呢。從純數學的角度來看，當我們用方程式描述粒子和反粒子的相遇，時間的流逝就沒有了偏向性，過去和未來沒有任何意義。

面對此類怪相，有些物理學家甚至懷疑起時間的存在來！目前物理學的一大重點是要調和廣義相對論和量子力學，前者描繪引力所主宰的宇宙，後者描繪粒子世界。相對論於粒子一竅不通，引力也完全無視量子物理法則。因此，物理學家致力開發一種替代理論，能在微觀物理與宏觀物理之間達成統一。

這是歐洲粒子物理研究中心（CERN）大型強子對撞機拍攝的照片，兩個鉛原子核相撞迸發出粒子束。這些粒子有的能永恆存在，有的還能回溯時間。

這一努力暫時還未能獲得成功，但有些思路似乎前景可觀。其中之一就是圈量子引力論。看它的名字就知道它有多複雜，三言兩語沒法說清。但該理論關於時間的觀點讓我們頗感興趣。很簡單：時間根本不存在，幻象而已！

研究該理論的科學家試圖重寫物理法則，在他們的方程中去除時間變量t。截至目前，沒有跡象表明他們會失敗。時間來日無多了……

巨大幻象？

時間，幻象？難以相信，因爲這個“幻象”使我們的生活井然有序。幻象從何而來？一個簡單的實驗能給我們一點提示……拿一個放滿水的玻璃杯，往裏面滴一滴墨水。起初，你能在透明的液體中間看見一滴墨水。墨水漸漸化開，很快，整杯水變成了墨水的顏色。

墨滴最終完全融入水中。此刻，熵（墨水加清水這一系統的混亂）達到了最大值。熵不會減弱，因此我們以爲有“之前”和“之後”之分，從而感到時間流逝。

這個實驗，你可以重複做上10次，最終你都會得到一杯墨水的稀釋物。從單個分子角度來看，墨水沒有“理由”混合入水中。沒有一條物理法則會強迫分子混合。不過熱力學第二定律倒是認爲，一個獨立系統（此處是指清水加墨水的杯中物）會自發地演變成一種平衡狀態，更加穩定，也更加無序。

用物理語言來解釋就是“熵”增加了。沒聽過這詞？記住嘍，“熵”是指某個系統的混亂程度。對啦！混亂是可以測量的……那也就是完整地描述一個系統所需的信息量。信息量越大，越是混亂。

熔冰——増熵的經典例子

假如你的臥室裏只有一張牀，一個衣櫥，一張書桌，你能輕而易舉地向你的小夥伴描繪臥室的佈局。與此相反，如果牀沒鋪好，臭襪子亂丟，書本隨便攤在書桌上，那你要提供更多的信息才能讓你的朋友對你的臥室有精確的印象。後一種情況“熵”更高。

根據熱力學定律，所有獨立系統的熵會自發地增長。這就給時間安上了“方向的箭頭”……單向箭頭哦。對嘍！熵會讓某些經驗變得不可逆轉，這就能定義過去和未來了。比如墨水滴絕不會在水杯中重新聚合。

理論上來說，沒有什麼能阻止墨水分子重新聚合。但就總體來看，墨水分子絕無機會再聚爲墨水滴。相較於涇渭分明的兩種物質構成的某系統，混合物總是更難描繪。重新聚合墨水滴意味着減少系統裏的熵，這是不可能的事兒！簡直是聞所未聞。你可以整理乾淨你的臥室，減少臥室的熵。可你一旦介入，臥室就不再是一個獨立系統。

你整理房間的努力也在釋放能量，放出熱能，於是增加了整個宇宙的熵。最終，整體熵的增加會抵消局部熵的減少，兩者無法割裂開來。所有系統都在向混亂髮展。古老文明的廢墟就是明證……

混亂避無可避

你在不經意間可能注意到了，熵的介入只是用來描述充斥各種粒子的複雜系統，而在單個粒子的層面，熵沒有了意義，所以說粒子似乎逃脫了時間的魔爪。那我們呢？作爲複雜系統，我們當然要承受熵的效應。

然而，你可能會問：鮮活的生命體就是一個小小的奇蹟，竟然能將各種細胞、器官組織得井井有條，和混亂風馬牛不相及嘛！可是注意嘍，別忘了熵的精確定義：熵的增加是針對獨立系統。如果完全隔離一個有機體，沒有食物，沒有呼吸的氣體，它就會死去、分解……這不就是混亂的表現嘛！

我們能夠維持機體的秩序，是因爲持續不斷地通過空氣和食物獲得能量。我們限制了身體內部的熵，卻增加了整個宇宙的熵。我們的軀體會不由自主地屈服，漸漸失靈，直至死亡。熵最終擊敗肉體，迎來勝利。我們感受到的時間不是鐘錶發出的滴答聲，而是這場註定失敗的抗爭：我們的機體無法對抗混亂。

撰文 Fabrice Nicot

編譯 黃雅琴

來源：新發現雜誌

編輯：Quanta Yuan