時間是什么 時間的本質是什么

時間是什么？時間是一種我們生活中常用的概念，連小孩都知道什么是時間。但是一旦對其深究，時間就變得神秘起來了。神學家和哲學家就一直在探討：時間是什么？為什么會有時間存在？然而他們在自圓其說中迷失了自我，并沒有給出合理的解釋，反而把人攪糊涂了。而當物理學家開始涉足這個終極問題時，才逐漸揭開時間的神秘面紗，但神秘面紗后的真相卻完全違反了我們每個人的直覺。

時間是什么  

在所有探索時間本質的物理學家中，從古至今沒有一個人像美國物理學家約翰·惠勒那樣，徹底地改變了我們對于時間的認識。惠勒在自己的一生中都在與時間賽跑，去揭示時間真實的面目。

兩個水火不容的理論

之所以惠勒涉足時間問題，主要是下面這個問題仍在困擾著物理學界：相對論和量子力學里所描述的時間完全不同。

1905年，愛因斯坦建立了他的狹義相對論。他發現時間流逝的速率對于每個地點的每個人并不都是一樣的。時間與觀察者的運動狀態相關。你跑得越快，時間流逝得越慢。如果你跑的速度跟光速一樣的話，你就會發現時間變得靜止不動，如同消失了一樣。

在愛因斯坦提出狹義相對論之后，另一個偉大的物理學理論建立了起來，它就是描述微觀世界的量子力學。但是量子力學的到來，使得物理學家對時間的認識又朝著相反的方向發展。在我們日常生活中，事物都是很確定的，像你現在操場打球，我在教室看書，在任何人眼中都是很確定的事。但對一個微觀物質來說，就不具有一個確定的狀態，而是一個多種狀態疊加起來的狀態。如果你是一個量子事物的話，那么你可以在家看電視，也可以同時在電影院看電影，也可以同時在運動場做運動等等。每一種狀態有一定概率被檢測到，也就是說直到別人去觀測你時，你的狀態按照概率才唯一確定下來。物理學家可以用一個數學函數來描述這個量子狀態的概率情況，這個函數叫做波函數。但這個量子狀態的波函數是不穩定的，它會隨著時間發生變化。而這個時間，卻是由一個獨立于這個微觀物質之外的時鐘來定義的，每一秒接著下一個一秒，而其速率是永恒不變的，這反倒如同牛頓所說的絕對時間了。絕對時間與物體運動狀態無關，而這卻與愛因斯坦的狹義相對論相抵觸。

可以看出，兩個理論各執一詞，僵持不下。伴隨著這種困惑，在上個世紀30年代，惠勒進入了物理學界。惠勒研究的中心就是去修補相對論和量子力學之間的縫隙，而這個縫隙就是時間。

逆時間而行的反粒子

惠勒開始對于時間的研究是從正電子開始的。

在1940年春天的某個夜晚，惠勒在美國普林斯頓突然想到一個問題，為什么會有正電子存在呢？正電子是電子的反粒子，具有同樣的質量，同樣的自旋，但所帶的電荷相反。為什么有這種反粒子？惠勒有點搞不清楚了，他叫來他的學生理查德·費曼一起來研究，結果他們發現一個驚人的事實：它們其實是同一種粒子！

惠勒想到，假設整個宇宙只有一個孤零零的電子在時間和空間中穿梭的話，如果電子的軌跡足夠復雜的話，那么這個宇宙可表現出它里面存在著許多電子和正電子。惠勒認為，正電子，其實就是一個逆著時間方向運動的電子。這樣，一個電子就可以順著時間運動，然后在反過來逆著時間運動，這時表現為正電子。接著可再次順著時間運動，反反復復，一個電子就可以表現出一堆電子和正電子了。

以此可以推廣，所有的反粒子不過是對應的粒子逆著時間方向運動。當粒子與自己的反粒子碰到一塊兒時，它倆會發生湮滅，釋放出能量并消失。而這也可以說成是粒子其實沒有消失，它只不過是在發生湮滅的那個時間點上突然逆著時間回到過去，變成了反粒子了。

“蟲洞”與“黑洞”的誕生

時間，它不僅允許物質可以逆著方向運動，而且根據廣義相對論，時間本身還可以被調轉，甚至會在某處被終結。

廣義相對論認為質量可以把時空彎曲成特殊的幾何形態，而空間彎曲程度就表明了引力的大小。惠勒很想知道這種幾何形態可以怪異到何種程度，所以惠勒把理論推導到一種極端狀態，結果他發現了一種令他極其著迷的東西。這個東西叫做愛因斯坦-羅森橋，一種連接宇宙中兩個彼此遙遠時空的快捷隧道，一個人可以從一端進入而從另一端出來，這樣他不僅可以比光速跑得更快，而且有時候還可以回到過去。例如說，一個人在地球上創造了一個蟲洞，他把一個洞口放在他家里，另一個洞口放在一個宇宙飛船上。他可以帶著這個洞口坐著飛船去宇宙溜達一圈回到地球。根據相對論，我們知道，跑得越快，時間流逝得越慢，所以對于他來說這個過程可能只過了12個小時，但是地球上卻已經過了10年。但是他發現，從飛船上的蟲洞看過去，洞口另一端仍是12個小時之后的地球。所以他完全可以爬過蟲洞，回到10年前的那個地球，也就是說他可以利用蟲洞回到過去！（不過我們也注意到，他并不能回到蟲洞創造以前的時刻，所以他不可能回到二戰前干掉幼年的希特勒。）惠勒給這個快捷的時空隧道起了一個響亮的名字：蟲洞。

當他繼續對時空進行研究時，惠勒又遇到了另一種引力怪物：某個地方的質量是如此密集，所產生的引力是如此之強，以至于會把這里的時空無盡地擠壓下去。他也給這種天體起了個名字：黑洞。黑洞里面的“時間”失去了原來所有的意義，這里的時空極其怪異，物質運動一直朝向黑洞中心，因為這個方向變成了時間方向，而黑洞中心那個密度無窮大的奇點就是時間的終結之處。

被詛咒的方程

盡管每個人都能感受到時間的流逝，但是后來惠勒所發現的是，如果從整個宇宙的角度來看的話，宇宙可能原本沒有時間，它是額外產生的。

1965年的某一天，惠勒在美國北卡羅來納州機場里等候飛機的時候，叫來他的同事布萊斯·德維特陪伴他。在航站樓里，惠勒和德維特寫下了一個關于波函數的方程，惠勒當時稱之為“愛因斯坦-薛定諤方程”，后來其他人都把這個方程稱為“惠勒-德維特方程”。有意思的是，德維特把這個方程稱為“被詛咒的方程”。

量子力學的波函數是描述微觀世界的，而惠勒和德維特的波函數是描述整個宇宙的，但問題是這個方程中沒有時間這個參量，他們也不知道如何把時間加入到方程中。所以，盡管他們的方程成功地把廣義相對論和量子力學結合了起來，但是由于沒有時間參量，得到的結果將是一個靜態的宇宙解，這個宇宙不會變化，永遠停留在一個不變的瞬間。

從之前的對于蟲洞的研究中，惠勒就已經知道時間的箭頭可以被彎曲和調轉。同時，他對黑洞物理性質的研究，使他認識到時間在黑洞的深處是不存在的。此時在這個機場內，這個“被詛咒的方程”使惠勒預感到，宇宙可能原本沒有時間這個東西，它不是宇宙的基本元素，是額外產生出來的。就像愛因斯坦所說的，時間如同一種主觀的幻覺。

詭異的雙縫實驗

那么為什么會有時間呢？惠勒認為解決時間存在的關鍵，就是量子測量問題。而雙縫干涉實驗就是一個形象體現了量子測量問題的物理實驗。

雙縫干涉實驗是演示微觀物體的波動性與粒子性的實驗，也就是說微觀粒子，例如光子，通過兩個互為平行的細縫之后，抵達感光屏會形成明暗相間的干涉條紋，說明光子具有波動性，就像水波和聲波可以干涉一樣。不過我們這里以從光子的粒子性來考慮問題，并假設光子是一個一個地從激光器射出來。光子出來之后穿過兩個互相平行的細縫，然后抵達對面的感光屏上。每一個光子都有一半的機會穿過其中的一個細縫，所以累計下來，你也許會認為屏幕上應該有兩條對應的亮斑，但事實不是這樣，感光板上會形成明暗相間的干涉條紋。

不管聽上去多么不可思議，事實是只有每一個光子都同時穿過兩個細縫時，干涉條紋才能產生。根據量子力學，光子穿過兩個細縫的時候，光子并沒有真的分裂成兩個部分，我們也無法知曉它究竟是怎么同時穿過兩個細縫的。但如果從抽象的數學上看這個問題就簡單了，描述它行為的數學，即波函數會分成兩個部分，每一個部分通過對應的一個細縫，通過后它們再次結合起來，不過這時，兩個波函數并不能完整地疊加起來。如同水波的干涉實驗一樣，當兩個波的波峰或波谷遇到一塊時，疊加之后波的振幅更大，所以光度會變得更亮，那么就會在屏幕上形成一個亮條紋；當一個波的波峰遇到另一個波的波谷時，疊加之后波就會被抵消掉，其振幅就變零了，所以光度會變得更暗，會在屏幕上形成一個暗條紋。

如果你想搞清楚光子究竟是怎么通過兩個細縫的，那么可以在每個細縫上安裝一個探測器，然后再次進行實驗，不過此時奇怪的事情發生了：雖然光子仍會一個一個地通過細縫到達屏幕，但是干涉條紋消失了。屏幕上只有兩個大條紋，每一個對應著一個細縫。每一個光子都好像知道自己要被觀測到一樣，所以都老老實實地每次只通過其中的一個細縫。

光子當然沒有自我意識，但是只要我們對這個系統進行測量，那這個系統的狀態就會被確定下來。如果我們不去觀測光子是怎么走的，光子就同時穿過兩個細縫。如果我們去觀測的話，光子就會找到一個唯一的路徑通過其中一個細縫。所以說，我們的測量改變了已經形成的東西。

延遲選擇思想實驗

1979年，惠勒提出了一個全新的思想實驗。這個思想實驗是關于時間的最為引人注目的研究成果，它叫做“延遲選擇實驗”。

惠勒意識到，在雙縫干涉實驗中，讓光子一個一個地通過兩個細縫之后，其實觀測者可以任意決定他想要的結果，即感光板上出現的是干涉條紋或是兩個光斑。具體地說，就是在光子通過兩個細縫之后，如果我們需要的是干涉條紋，那么就在后面放一塊感光板；如果我們需要的是兩條光斑，那么就移開感光板，用兩個小望遠鏡對著兩個細縫，而此時一個光子就會只經過其中一個細縫，這樣通過望遠鏡我們就可以知道光子會通過哪個細縫了。用這種辦法，我們可以隨意決定，一個光子究竟是通過了一個縫隙還是通過了兩個縫隙，盡管在我們做決定之前那些光子已經通過了兩個細縫。

為了理解這個觀點，惠勒把這個延遲選擇實驗推廣到更大范圍內。假設光線從數十億光年外的類星體發出并射向地球。中途正好有一個大質量的星系，產生的引力場如同透鏡一樣使得光線發生彎曲。光線改變了自己原來的路線并從星系的邊緣通過，并假設從星系的左邊通過還是從右邊通過具有同等的概率。為了更好地說明，也假設光子是一個一個地抵達地球。那么這和雙縫干涉實驗一樣，在地球上的我們又面對同樣的選擇。我們可以在光線抵達的地方放置一個感光板，感光板上面就會形成明暗相間的干涉條紋，這樣光子同時從星系兩邊通過。或者，我們也可以使用兩個望遠鏡分別對準星系的左邊和右邊，觀察光線到底從哪邊過來的，而這時光子就只從星系其中的一邊通過。我們此刻做出的選擇，決定了光子所經過的路線具體是怎樣的，盡管這個過程開始發生在數十億年之前。

檢測延遲選擇

聽起來這種延遲選擇實驗的確很古怪，那么這種實驗可以在實驗室內實現并檢驗嗎？

第一個實現這個思想實驗的人是美國物理學家卡洛爾·阿雷。阿雷早在普林斯頓大學是就知道惠勒的大名，不過他那時所在的研究小組研究的課題是，通過對地球與月球之間細微的引力作用進行觀察，來檢測廣義相對論的正確性。而這個研究需要精確測量地月之間的距離。他們想到，如果在月球上放置一面鏡子，那么就可以在地球上發射一道激光，激光會被鏡子反射回來，測量激光射出到返回后的時間就可以精確測出地月之間的距離。在他的建議下，相關機構成功地在月球上放置了三面鏡子，其中第一面鏡子是在1969年由第一個登月的尼爾·阿姆斯特朗在月球上放置的。

當阿雷了解到惠勒的延遲選擇實驗時，他突然眼前一亮，意識到利用激光檢測地月之間的距離所使用的相關技術，可以拿來去實現惠勒的延遲選擇實驗。從月球上回來的光線通常十分微弱，阿雷和他的團隊發明了一種復雜的方法，可成功地探測到一個光子的存在，而這種復雜的方法就可以應用到延遲選擇實驗中。

1984年，阿雷和其他兩名物理學家成功地在實驗臺上演示了延遲選擇實驗，結果就如同惠勒設想的一樣：測量使得“現在”決定了“過去”是怎樣的。我們以前所理解的時間就是：過去的就是歷史了，歷史是不能改變的。而延遲選擇實驗表明，過去所發生的事情，我們可以改變的。

自我激發的U形宇宙

對于惠勒來說，這不僅僅只是一個奇怪的現象，延遲選擇更是解決時間以及整個宇宙存在的關鍵。

惠勒曾經畫了一個大寫字母U來代表整個“宇宙”，這個字母U左上角坐落著一只巨大的眼睛。這個眼睛穿過字母的那個“深淵”注視著字母U的右上角，而那里就是時間的起源點。當你隨著這個字母U從右邊“俯沖”到左邊時，時間就開始不斷向前流逝，宇宙不斷成長變化，在某一個星空的角落里，生命元素匯聚在某個巖石星球上，逐漸形成了我們人類，而我們就成為宇宙的一個觀測者。現在通過量子測量產生的作用，我們往回看就再次創造了這個曾經生成過自己的宇宙。

延遲選擇就是他的U形宇宙工作的機理。是由于我們現在對宇宙進行了觀測，所以宇宙是在137億年前的大爆炸中產生，并演化到如今的樣子。就像雙縫干涉實驗一樣，宇宙演化的具體過程是我們觀測的結果。如果我們不觀測，那么宇宙的演化過程也就不能確定下來。這樣一來，時間從137億年前的“過去”流向我們觀測宇宙時的“現在”，而“現在”的觀測卻可以反過來去產生“過去”。這個觀點，挑戰了我們所有關于時間的直覺。我們的觀測行為參與了宇宙創造的過程，所以說這種U形宇宙也可以稱為“參與性宇宙”。

具有多重歷史的宇宙

惠勒曾經對自己的學生說過，“這個想法足夠瘋狂了，所以它很有可能是對的。”同樣，這句話也適用于惠勒的延遲選擇實驗和U形宇宙，而且這個想法對物理學界產生了廣泛的影響。

過去研究宇宙時，都按照底（即時間的起點）到頂（即現在時刻）來研究的。而最近幾年，斯蒂芬·霍金與他的合作者托馬斯·赫托格提出了一個新的方法來研究宇宙，叫做“從頂到底”方法，其實就是惠勒延遲選擇的一種推廣。當沒有觀測的情況下，如同那個從類星體射來的光子會同時按照多個路線來運動一樣，霍金和赫托格也同樣認為，這時候宇宙本身也具有多重歷史，宇宙現在的模樣只是其中的一種歷史，是我們觀測的結果。就像雙縫干涉實驗一樣，不觀測它光子就會同時經過兩個細縫。所以說，我們因觀察歷史而創造歷史。霍金寫道，這個從頂到底的宇宙學和相關的因果論的確是令人吃驚的。而這個正好就是惠勒繪制的自我激發的U型宇宙所描述的。

另外，霍金和赫托格提出的這種方法，在霍金和列納德·蒙洛迪諾合著的《大設計》書中有詳細的描述，讀者可以拿來去參考。

時間的本質是什么

一切的背后是信息？

然而，惠勒在去世之前，仍有許多最為基本的問題仍然困擾著他。

惠勒知道“現在”可通過量子測量去決定“過去”是怎樣的，而宇宙本身如同上面所說的，通過量子測量自己會產生自己。但問題是量子測量是如何做到這一點的？為什么時間會連續不斷地流逝著？還有，為什么會有量子呢？惠勒指出，雖然量子力學是科學中最成功的理論之一，但是沒有人真正理解量子力學背后究竟是什么。就如流傳了很久的一句名言，“如果你自認為你懂得量子力學，那就說明你根本就不懂量子力學。”

所以說，如果要真正地了解時間本質，我們必須對量子力學背后的含義進行更深刻的思考。最近來自英國布里斯托大學的研究小組第一次嘗試去解釋量子力學背后的含義。他們提出的理論認為現實世界的基石是信息和計算，宇宙中的所有事物都是用信息單元（一種可表達信息的最小量）來編碼而成的，而且宇宙中信息單元只有唯一的一種，不同事物里的信息單元都是一樣的。以這個理論為基礎，研究人員發現，即可推導出描述微觀世界的理論——量子力學。雖然這個理論還不好理解，并且還極其簡陋，不過也許沿著這個研究方向，時間是什么的問題會最終得到解決。