韶光我们常日利用时钟来丈量的东西:记录从一个时候到下一个时候的流逝的设备。
虽然有一个有趣的哲学论证认为韶光是一种幻觉,但我们可以丈量、量化并且无法阻挡它的流动这一事实强烈表明它确实存在。

当我们从一个时候移动到下一个时候时,我们都会经历韶光的流逝。
但这统统难道只是幻觉吗?

时间是否存在或者只是一种幻觉 休闲娱乐

物理学以及任何一样平常科学最主要的方面之一是对领先物理理论的不断测试。
您可以寻衅以前的结果、得到这些结果的方法,在潜在运用的新领域创建新的测试,乃至质疑它们背后的假设。
当谈到我们对宇宙的理解时,我们相信我们居住在一个被称为时空的四维“构造”中,具有三个空间维度和一个韶光维度,彼此之间有着千丝万缕的联系。

当然,所有这统统都假设韶光本身是一个真实的东西:物理上真实且实质上是基本的。
但这些假设一定是精确的吗?有没有办法绕过它们?韶光是否只是一种幻觉,只管它令人信服?这便是戴夫·德鲁斯想知道的,他写下了这样的问题:

“我们都听过这个哲学问题:‘如果一棵树倒在森林里,没有人听到,它会发生发火声音吗?’ 有些人认为韶光是一种幻觉,是人类心灵和履历的布局,如果是这样,那么如果没有众生感知它,韶光还存在吗?

这是一个很难的问题,我们有很多方法来办理它。
在考虑这个关键问题时,让我们尽可能全面地考虑:韶光存在吗?

光锥的一个例子,是所有可能到达和离开时空点的光芒的三维表面。
在空间上移动得越多,在韶光上移动得越少,反之亦然。
只有你过去光锥中包含的东西才能影响你本日;未来的你只能感知到包含在你的未来光锥中的东西。
这解释了平坦的闵可夫斯基空间而不是广义相对论的波折空间。

韶光的实质

早在 20 世纪初,我们就曾认为韶光对每个人来说都是一样的。
无论您身在何处、移动速率有多快或何时丈量韶光,每个地方的每个人都会始终就韶光达成同等:我们将以相同的办法为每个人丈量韶光的流逝。
但事实证明,虽然我们可以:

丈量它量化它,不雅观察它的流动并不雅观察和衡量其通过的后果,

对付“任意两个事宜之间经由了多少韶光”这个看似大略的问题,每个人的答案都是不同的。

爱因斯坦见告我们,任何事宜从开始到结束之间“过去了多少韶光”这个问题的答案很大程度上取决于不雅观察时你所在的位置以及你的移动办法。
例如,如果您在一列行驶的火车上,从火车的一端向另一端(或向天花板,然后向地板)发射一波光,您将得到一定的韶光让光到达火车的另一端。
如果您在站台上不雅观看火车上的人发射灯光,您将得到与火车上随着灯光移动的不雅观察者不同的反应。

对付以不同相对速率移动的不雅观察者来说,“光钟”的运行彷佛有所不同,但这是由于光速的恒定性所致。
爱因斯坦的狭义相对论规定了不同不雅观察者之间韶光和间隔的变换如何发生。
然而,只要每个不雅观察者保持在自己的参考系中,他就会看到韶光以相同的速率流逝:每秒一秒。

对付行驶中的火车上的人来说,光芒须要一定的韶光才能到达火车的远端。
但对付地球上的人来说,答案不仅会不同、更长,而且他还会得出这样的结论:火车上的人(以及其他统统)比自己朽迈得慢。
对付静止的不雅观察者来说,运动的物体比静止的物体老化得慢。

造成这种征象的缘故原由在于,自然界中的“绝对”量既不是空间,也不是韶光,而是真空中的光速:任何物体共同穿过空间和韶光的最大速率。
事实证明,你在空间中的运动越大,你在韶光中的运动就越少,反之亦然。
这意味着,如果你想在韶光上最大化你的运动,你将保持绝对静止;任何与你有相对运动的人都会感想熏染到韶光的流逝变慢。

对付地面上的不雅观察者和火车上的不雅观察者来说,他们的丈量结果会不同,但彼此之间始终是不同的。
一旦打算了一个不雅观察者相对付另一个不雅观察者所经由的韶光,每个不雅观察者不仅能够精确预测自己的时钟读数,还能够精确预测另一个不雅观察者的时钟读数。
您所须要的只是狭义相对论的知识。

这张照片显示了哈弗勒、基廷和他们的两个原子钟在环球翱翔期间进行的韶光膨胀实验。
一名身份不明的空乘职员在一察看犹豫看。
1972 年的这次翱翔是第一个根据狭义相对论和广义相对论直接丈量方向韶光膨胀的实验。

我们感知到的韶光

当谈到我们的感知时,我们知道“觉得”韶光的流逝是什么觉得。
纵然韶光相对付不雅观察者,这仍旧意味着它的存在,只是为其属性添加了一点反直觉:它的相对性,这是我们大多不熟习的属性,由于比较之下,我们常日在空间中缓慢移动以光速。
然而,另一个值得考虑的想法是,我们对韶光流逝或韶光存在的感知仅仅是由其他征象引起的幻觉,而不是我们用来丈量韶光流逝的基本“滴答作响的时钟”。

一个值得考虑的有趣不雅观点是物理学中对称观点的研究。
全体物理学中最深刻的定理之一是诺特定理,它将物理学中的对称性与物理量守恒联系起来。
要考虑的最大略的物理系统之一是弹跳球系统。
如果你看一部关于球因重力而着落的电影,你将无法判断韶光向前推进而重力将球从高处拉下来是否有差异,或者韶光倒退而你看到球是否有差异战胜重力的阻力向上抛。

这是由于运动定律遵照韶光可逆性的对称性:无论韶光向前还是向后,运动定律都是相同的。

如图所示,跳跃中间的球可以向右移动并在每次后续跳跃中失落去能量,也可以向左移动并在每次后续跳跃中得到能量。
只管无论您将时钟向前或向后移动,牛顿运动定律都是相同的,但无论您将时钟向前还是向后移动,并非所有物理规则的表现都相同。

这不仅适用于运动定律,而且适用于险些所有物理定律。
宇宙中四种基本力中的三种——引力、电磁力,乃至强核力——都遵照韶光可逆对称性。
无论韶光向前还是向后移动,它们遵照的定律都是相同的,仅仅通过不雅观察系统中的粒子如何根据这些定律蜕变,你无法确定韶光流向哪个方向。

然而,事实证明,有两种方法可以区分在韶光上向前或向后运行的系统之间的物理差异。
第一个是不雅观察通过弱核力发生的反应,例如放射性衰变。
想象一下你有一个充满质子和中子的重原子核。
如果该原子核具有相对付质子数量而言较多的中子,则该原子核有可能会经历特定类型的放射性衰变:β衰变。

β衰变是指原子核中的一个中子衰变成质子、电子和反中微子,这种情形发生在许多元素和同位素中。
此外,纵然对付不属于任何较大原子核的自由(未束缚)中子,也会发生这种情形。

巨大原子核中核β衰变的示意图。
只有包含(缺失落的)中微子能量和动量,这些量才能守恒。
从中子到质子(以及电子和反电子中微子)的转变在能量上是有利的,由于额外的质量被转化为衰变产物的动能。
质子、电子和反中微子结合产生中子的逆反应在自然界中从未发生过。

我们创造了一种情形,个中系统的熵增加,或者热力学韶光箭头指向前方。

您可能听说过熵的观点,它是物理系统中“无序程度的度量”,但内部发生的事情要更深层次。
任何系统内都存在一定的能量梯度。
未打散的鸡蛋在蛋白和蛋黄之间存在能量梯度,蛋黄周围的樊篱阻挡它们稠浊。
未煮熟的鸡蛋的分子中储存有势能,当你煮熟它们时,这种(化学)能量会被开释,形成新的键并改变鸡蛋的构造。
玻璃或瓷器的构造中具有势能,当它分裂时,势能就会开释出来。

如果以精确的频率振动羽觞,它就会分裂。
这是一个显著增加系统熵的过程,并且在热力学上是有利的。
相反的过程,即玻璃碎片重新组装成完全的、完全的玻璃,在实践中是不可能自发发生的。
然而,如果各个碎片飞散时的运动完备相反,它们实际上会飞到一起,并至少暂时成功地组装羽觞。
韶光反演对称性在牛顿物理学中是精确的,但在热力学中却没有不雅观察到。

然而,虽然热力学韶光箭头总是指向前方——封闭、伶仃系统的熵永久不会减少,只会增加——但这并不是事实,这要么导致感知到的韶光流逝,要么与感知到的韶光流逝干系。
我们可以通过人为地减少系统内的熵,使其开放而不是伶仃来测试这一点,而是通过将能量引入系统以使其内的熵减少。
例如,我们可以取一个充满冷热粒子的房间,在房间里放置一个隔断,每次在隔断上开一个洞:

冷粒子从左侧移动到右侧,热粒子从右侧移动到左侧,

并在所有其他情形下保持隔膜关闭。
从一个温度均匀的大房间到有两个独立房间的状态,一个房间左边充满热粒子,另一个房间右边充满冷粒子,这代表熵的显著减少。
然而,如果你有办法从任何房间内的任何一点丈量韶光的流逝,你会创造你的感知并没有见告你韶光正在倒退,纵然熵减少了。

换句话说,我们对韶光流逝的感知——对付任何不雅观察者来说,韶光都以每秒一秒的速率向前移动——与热力学韶光箭头和熵的增加(或不增加)无关。

有一个古老的哲学问题:“如果一棵树倒在森林里,没有人听到,它会发生发火声音吗?” 正如巴特·辛普森精确指出的那样,绝对出版。
虽然哲学思想是“声音”不能没有“听者”而存在,但我们现在知道声音只是由粒子的集体运动组成的声波:通过空气、水或固体地球,并且无论是否存在,它都独立存在。
是听者(或不雅观察者)亲自体验“声音”的效果。
无论是否有不雅观察者不雅观察,宏不雅观现实都存在。

然而,这个想法在量子层面并不总是精确的。
自 19 世纪以来,有一个著名的实验(以不同的形式进行):双缝实验。
如果您通过两个狭缝发送波(例如水波),则穿过它们的部分波将在另一侧产生干涉图案。
这不仅适用于经典波,也适用于光子、电子和任何其他表现出颠簸特性的量子粒子,纵然你一次将它们发送通过双缝。

然而,如果你丈量每个单独的光子或电子通过哪个狭缝,你将不会得到干涉图案;只是两“团”的粒子。
就彷佛大自然知道你是否在看它一样。

移动掩模就位后,您可以选择是否阻挡一个或两个狭缝进行双缝实验,不雅观察结果以及它们随着掩模移动而如何变革。
只要两个狭缝都畅通无阻,并且丈量哪些“狭缝”粒子穿过,您就会看到干涉图案。

对付韶光来说,这也是真的吗?除非有不雅观察者来丈量韶光,否则韶光会不会存在吗?

这彷佛不太可能,我们可以指出一个很好的情由:对早期宇宙的直接不雅观察。
我们知道,根据物理定律,在宇宙的最初阶段根本没有不雅观察者。
经由许多事宜才创造出能够不雅观察的东西,包括:

创造物质而不是反物质,原子核的形成,形成中性原子,许多代恒星的形成创造了重元素,这些重元素必须经由大量的化学反应才能创造出可以不雅观察宇宙的东西。

鉴于生命产生和发展的缓慢程度,所有这些过程至少须要几亿年,乃至可能数十亿年。
然而,当我们不雅观察迢遥的宇宙时,我们看到的证据表明所有这些事情发生在良久以前:早在不雅观察者涌现之前。
这有力地证明,早在不雅观察者涌现之前,韶光就已经在真正的物理意义上存在了。
我们有能力利用当代天文台,随时回顾并不雅观察这些证据——从宇宙微波背景到丰富的轻元素,再到最早的恒星和星系。

JADES-GS-z14-0,位于顶部插图框中,位于更近、更亮、更蓝的星系后面(稍靠右侧)。
只有凭借具有令人难以置信的分辨率的光谱能力,能够分离两个来源,才有可能确定这个破记录的迢遥天体的性子。
它的光来自宇宙只有 2.9 亿岁的时候:仅为当前年事的 2.1%。
JADES-GS-z14-1(就不才面)来自宇宙约 3 亿年前的时期。

韶光可能是一种幻觉的唯一缘故原由是它有可能是宇宙的一种新兴属性,而不是一个基本属性。
我们认为空间、韶光和粒子(量子)是宇宙中的基本实体,而可以从它们导出的量(例如熵)是呈现的属性。
然而,还有一些在数学上可行的替代公式,您可以将熵视为基本属性,然后可以将包括韶光在内的其他属性推断为紧急属性。
只管从物理学的角度来看,韶光和熵显然都存在,但它们中哪一个是根本的、哪一个是呈现的却不一定清楚;目前我们不知道如何测试。

然而,我们可以合理地确定韶光确实存在,至少在某种程度上是这样。
当物理学讯问某物的存在时,我们常日会问的问题包括:

你能丈量一下吗?你能量化这个吗?你能用数学上自洽的办法来定义它吗?这本身是一个可不雅观察的量吗?其他可不雅观测的量是否与这个量密切干系?

从量子到宏不雅观再到宇宙层面,对付韶光来说,所有这些问题的答案都是肯定的。
只管它的行为有很多奇怪之处,我们试图给它下的任何定义(类似于能量)也有很多毛病,但我们可以不雅观察、丈量和测试的统统都指向它的现实。
如果这确实是一种幻觉,那么这种幻觉乃至愚弄了我们迄今为止理解物质存在的最佳方法。