設(shè)置星標(biāo)★關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

一大早，我們一把抓過(guò)外套，拿起包和鑰匙，急匆匆地出門(mén)上班——可能還會(huì)瞥一眼墻上的鐘，確認(rèn)時(shí)間是否充裕。時(shí)間的流逝是我們?nèi)粘Ｉ钪斜軣o(wú)可避的組成部分，即便你有意不去想它，都會(huì)有所感知。

這一切似乎都合情合理，但如果我們轉(zhuǎn)而詢問(wèn)物理學(xué)怎么從根本上解釋時(shí)間流逝，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題其實(shí)相當(dāng)棘手。

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的相對(duì)論扭曲了時(shí)間，而量子理論則似乎完全沒(méi)有考慮時(shí)間問(wèn)題，現(xiàn)代物理學(xué)的其他理論無(wú)法令人滿意地解釋時(shí)間流逝問(wèn)題。牛津大學(xué)娜塔莉亞·阿瑞斯（Natalia Ares）說(shuō)：“這是科學(xué)最大的謎團(tuán)之一。”

不過(guò)，物理學(xué)家一直在探索這個(gè)問(wèn)題的答案，并且提出了各種猜想，其中一個(gè)最為大膽的如今又重新獲得了重視。

早在20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家就提出了一種假說(shuō)：時(shí)間是一種幻覺(jué)，是量子力學(xué)的奇特原理在本無(wú)時(shí)間的宇宙中構(gòu)造出來(lái)的。這就是彼時(shí)令所有人都眼前一亮的“佩奇-伍特斯機(jī)制”，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有任何檢驗(yàn)辦法，所以便無(wú)疾而終。

如今，40年過(guò)去了，對(duì)時(shí)間流逝問(wèn)題的新研究終于讓我們可以細(xì)致考察這個(gè)假說(shuō)了。另外，種種跡象表明，黑洞可能在時(shí)間流逝問(wèn)題中扮演了神秘角色。

研究一下現(xiàn)代物理學(xué)的各種定律和方程，提示時(shí)間只能往一個(gè)方向流動(dòng)的唯一線索來(lái)自熱力學(xué)第二定律。這個(gè)定律指出，熵（衡量無(wú)序程度）總是傾向于增加。這就是為什么牛奶一旦倒到咖啡里就不能分離出來(lái)了、城堡坍塌成廢墟后也無(wú)法自發(fā)重組成型。

這些結(jié)論當(dāng)然很不錯(cuò)，但還遠(yuǎn)談不上完美解釋時(shí)間的本質(zhì)。例如，按照熱力學(xué)第二定律，宇宙的起點(diǎn)不太可能是一種有序的低熵狀態(tài)，而這就是物理學(xué)無(wú)法解釋的。

再來(lái)看看愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，這個(gè)理論把時(shí)間和空間融合成一種靈活的思維結(jié)構(gòu)，而且這種結(jié)構(gòu)會(huì)在質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)的影響下扭曲。

在廣義相對(duì)論框架下，一些令人頭大的效應(yīng)產(chǎn)生了，比如山頂上的時(shí)間流逝得比海平面區(qū)域快，因?yàn)樯巾數(shù)囊Ω　Ａ硗?，在某些極端場(chǎng)景下——比如以接近光速運(yùn)動(dòng)的物體——不同觀測(cè)者甚至?xí)?duì)各種事件的發(fā)生順序產(chǎn)生分歧。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，只有當(dāng)過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)都像翻開(kāi)的書(shū)頁(yè)一樣并排存在，這樣的結(jié)論才說(shuō)得通。

如果說(shuō)相對(duì)論模糊了我們對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)，那么量子理論就幾乎完全抹去了時(shí)間的概念。

在量子理論中，時(shí)間并不是什么不可分割的東西，而是一種在背景中滴答作響的附屬物——理論上，許多量子過(guò)程都可以在傳統(tǒng)的時(shí)間意義上雙向發(fā)生。量子理論與測(cè)量密切相關(guān)，但與位置、動(dòng)量、能量等物理屬性不同，時(shí)間不能直接測(cè)量。我們可以測(cè)量粒子的位置，但永遠(yuǎn)無(wú)法知道它的時(shí)間。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所物理學(xué)家尼克爾·哈爾彭（Nicole Yunger Halpern）說(shuō)：“時(shí)間是一個(gè)怪人，它看起來(lái)更像是我們手工添加的理論元素，而不是我們可以測(cè)量的量子系統(tǒng)的某些自然屬性?！?/p>

如此種種讓部分物理學(xué)家產(chǎn)生了一種激進(jìn)的想法：時(shí)間會(huì)不會(huì)只是一種幻覺(jué)，肇始于某種我們還未知曉的更深層次結(jié)構(gòu)？

佩奇-伍特斯機(jī)制

正是這個(gè)想法迫使物理學(xué)家唐·佩奇（Don Page）和威廉·伍特斯（William Wooters）在1983年提出了他們眼中的真實(shí)時(shí)間面貌。和愛(ài)因斯坦一樣，他們也把整個(gè)宇宙視為單一靜態(tài)物件。

不過(guò)，與廣義相對(duì)論把時(shí)間看成并排的翻開(kāi)書(shū)頁(yè)不同，佩奇和伍特斯假設(shè)宇宙是一個(gè)巨大的量子波函數(shù)：一種編碼了宇宙一切可能的龐大數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。在這個(gè)波函數(shù)中，每個(gè)粒子和它們可以運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)方向，以及每一個(gè)場(chǎng)都可以折疊進(jìn)一個(gè)波包中。而這個(gè)波函數(shù)本身并不會(huì)運(yùn)動(dòng)，它與時(shí)間無(wú)關(guān)。

接著，佩奇和伍特斯又把這個(gè)“冰凍”的結(jié)構(gòu)一分為二。他們稱，其中一半描述我們能觀測(cè)到的一切“東西”：物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、現(xiàn)實(shí)的混亂等。另一半則起到了內(nèi)部鐘的作用。連接這兩個(gè)部分的是量子物理學(xué)中的一個(gè)怪異特征——“糾纏”，即兩個(gè)處于糾纏狀態(tài)的物體聯(lián)系緊密，其中任何一個(gè)發(fā)生變化都會(huì)立刻影響另一個(gè)。

佩奇和伍特斯證明，在他們提出的這個(gè)一分為二的結(jié)構(gòu)中，時(shí)間借助糾纏出現(xiàn)。

時(shí)間可能肇始于糾纏這種奇怪的量子現(xiàn)象

想想躺在桌子上的故事手稿，它就沒(méi)有時(shí)間概念：故事的開(kāi)頭、中間和結(jié)尾都已經(jīng)寫(xiě)就。可是，要想讀懂整個(gè)故事，就一定要按照正確的順序閱讀手稿書(shū)頁(yè)，頁(yè)碼就提供了一種將人物、情節(jié)、動(dòng)作及其他靜態(tài)元素聯(lián)系起來(lái)的結(jié)構(gòu)。佩奇和伍特斯提出，宇宙可能也是按照類似方式運(yùn)轉(zhuǎn)的。

宇宙這個(gè)巨大波函數(shù)中編碼現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的部分就像書(shū)頁(yè)上的文字。另一個(gè)具備時(shí)鐘功能的部分就起到了頁(yè)碼的作用。正是這兩個(gè)部分結(jié)合起來(lái)才創(chuàng)造出了時(shí)間展開(kāi)的體驗(yàn)。以色列特拉維夫大學(xué)西蒙·利亞維茨（Simone Rijavec）說(shuō)：“我覺(jué)得這個(gè)解釋相當(dāng)有說(shuō)服力?！?/p>

甚至有跡象表明，這個(gè)想法并不是憑空捏造出來(lái)的空中樓閣。

2024年，意大利國(guó)家研究委員會(huì)寶拉·維魯奇（Paola Verrucchi）根據(jù)佩奇-伍特斯機(jī)制構(gòu)筑了一個(gè)簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)模型，將一個(gè)由微小磁鐵陣列制成的時(shí)鐘同一個(gè)性質(zhì)類似彈簧的量子系統(tǒng)置于糾纏狀態(tài)之下。

從外部看，這個(gè)系統(tǒng)是靜態(tài)的，保持在恒定能量的某個(gè)固定量子態(tài)中。不過(guò)，相對(duì)于時(shí)鐘部分來(lái)說(shuō)，這個(gè)類彈簧量子系統(tǒng)肯定是在拉伸、收縮的，展示出似乎存在時(shí)間順序的變化。至關(guān)重要的是，當(dāng)這個(gè)裝置擴(kuò)大時(shí)，相關(guān)效應(yīng)仍然成立，這意味著糾纏現(xiàn)象產(chǎn)生的時(shí)間錯(cuò)覺(jué)即便在更大尺度的經(jīng)典物理領(lǐng)域也仍然可能存在。

維魯奇說(shuō)：“從這個(gè)模型出發(fā)，你可以推導(dǎo)出一切我們知道切實(shí)有效的運(yùn)動(dòng)方程。”換句話說(shuō)，佩奇-伍特斯機(jī)制的根本前提似乎的確是成立的。

不過(guò)，在根本上，佩奇-伍特斯機(jī)制還是留下了很多有待解答的問(wèn)題。

其中，最基礎(chǔ)的是，佩奇和伍特斯從來(lái)沒(méi)有真正明確他們所說(shuō)的“鐘”到底應(yīng)該是什么，也沒(méi)有說(shuō)明它是否同我們?cè)谌粘Ｉ钪兴究找?jiàn)慣的物理鐘有什么相似之處。

另外，他們也沒(méi)有充分解釋我們熟悉的時(shí)間體驗(yàn)是怎么從這張量子糾纏網(wǎng)絡(luò)中誕生的。

另外，糾纏通常是一種非常脆弱的聯(lián)系，那么如果我們持續(xù)不斷地同佩奇-伍特斯宇宙中的內(nèi)置時(shí)鐘糾纏在一起，為什么時(shí)間的流逝這么順暢？我們的觀測(cè)竟然從未對(duì)這種糾纏狀態(tài)產(chǎn)生干擾？

量子時(shí)鐘是怎么工作的？

幾十年來(lái)，佩奇-伍特斯機(jī)制深深地扎根在理論和思想實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，缺少實(shí)證。不過(guò)，現(xiàn)在，越來(lái)越多的研究把這個(gè)想法拽入實(shí)驗(yàn)室，提出了不少可以檢驗(yàn)的問(wèn)題。這股浪潮的一部分推動(dòng)力來(lái)自一個(gè)意想不到的方面：量子技術(shù)。在過(guò)去十年中，量子計(jì)算機(jī)、量子傳感器和其他設(shè)備都已經(jīng)成熟起來(lái)，跨越了概念驗(yàn)證階段，進(jìn)入了一個(gè)依賴更精細(xì)控制的時(shí)期。

對(duì)這些量子技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。在物理學(xué)史的大部分時(shí)間中，時(shí)間總是理想當(dāng)然的。然而，在2017年，一支研究團(tuán)隊(duì)證明，計(jì)時(shí)的成本雖然小但真實(shí)存在。

他們證實(shí)了，時(shí)鐘并不真的是直尺那樣的被動(dòng)測(cè)量設(shè)備，反而更像發(fā)動(dòng)機(jī)——從某種意義上說(shuō)，計(jì)時(shí)需要做功并產(chǎn)生熱量。在經(jīng)典設(shè)定中，這些熱量小到可以忽略不計(jì)，但在量子領(lǐng)域，即使是最微小的熱量也足以讓時(shí)鐘停止計(jì)時(shí)。

奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的馬庫(kù)斯·休伯爾（Marcus Huber）與阿瑞斯合作研究了時(shí)鐘被推向量子極限時(shí)會(huì)發(fā)生什么。休伯爾說(shuō)：“我們努力把注意力全部放在時(shí)鐘本身上，它需要什么樣的資源才能運(yùn)轉(zhuǎn)，局限又在哪里？”

時(shí)鐘并不一定就是兩根互相繞轉(zhuǎn)的指針。在歷史上，中國(guó)就采用過(guò)燒香計(jì)時(shí)的方式

理解量子時(shí)鐘的運(yùn)作機(jī)制有助于我們拓寬對(duì)時(shí)鐘的認(rèn)識(shí)。時(shí)鐘并不一定需要指針或齒輪。原則上說(shuō)，你也完全可以通過(guò)咖啡冷卻的速度以及臉上的皺紋來(lái)判斷時(shí)間。

休伯爾說(shuō)：“從根本上說(shuō)，時(shí)鐘是一種產(chǎn)生不可逆事件的設(shè)備，而且這些事件可以記錄在寄存器中?！倍豢赡媸录?huì)讓熵增加，這就是為什么時(shí)鐘——即使是再小的時(shí)鐘——也會(huì)釋放熱量。不過(guò)，這同樣也意味著你可以通過(guò)研究時(shí)鐘產(chǎn)生了多少熵來(lái)判斷它計(jì)了多少時(shí)。

實(shí)際上，在過(guò)去幾年里，休伯爾和他的合作者們就是在做這件事，用的是我們能想到的最簡(jiǎn)易的時(shí)鐘，僅由幾個(gè)原子構(gòu)成。

2021年，他們描述了時(shí)鐘精度與其產(chǎn)生的熵的量之間的換算關(guān)系。總的來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘走得越頻繁，它產(chǎn)生的熵就越多。一個(gè)把一分鐘完美分成60份的時(shí)鐘產(chǎn)生的熵多于把一分鐘分成三份的。

2025年，他們還建造了一個(gè)利用隨機(jī)量子過(guò)程計(jì)時(shí)的鐘，它能做到在幾乎不產(chǎn)生熵的前提下運(yùn)轉(zhuǎn)。不過(guò)，即使是這樣，也還是有一個(gè)問(wèn)題。從時(shí)鐘上讀出時(shí)間——從時(shí)鐘提取信息——也會(huì)產(chǎn)生熵。

這些實(shí)驗(yàn)并不僅僅是為了提升計(jì)時(shí)技術(shù)。休伯爾把它們看作探索更深層問(wèn)題的工具。他說(shuō)：“我們希望這種針對(duì)時(shí)鐘的操作性定義能幫助我們了解時(shí)間本身的性質(zhì)。”

其中就包括重新審視佩奇-伍特斯機(jī)制。休伯爾并不打算把佩奇-伍特斯提出的這個(gè)橫貫宇宙的糾纏時(shí)鐘純粹看作數(shù)學(xué)對(duì)象，而是看作一個(gè)與其他所有計(jì)時(shí)器一樣遵循相同規(guī)則的物理系統(tǒng)。如果能夠明確適用于所有類型時(shí)鐘的各種有關(guān)精度、熵和可逆性的規(guī)則，那么原則上這些規(guī)則也應(yīng)該適用于抽象的佩奇-伍特斯結(jié)構(gòu)。

有些物理學(xué)家把過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)想象成一系列同時(shí)并排放置的靜態(tài)畫(huà)框

休伯爾的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正努力設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，他們使用處于糾纏狀態(tài)的量子系統(tǒng)（比如原子云）在實(shí)驗(yàn)室中模擬佩奇-伍特斯機(jī)制。然后，通過(guò)測(cè)量時(shí)鐘釋放的熵，他們就能觸及一些基本問(wèn)題，比如：在這樣的量子系統(tǒng)中，時(shí)間究竟是平滑流逝的，還是像量子那樣離散流逝。

這就是休伯爾橫跨的兩個(gè)世界之間的碰撞：其中一個(gè)致力于拆解時(shí)鐘，另一個(gè)致力于探索時(shí)鐘記錄的時(shí)間本質(zhì)。他說(shuō)：“兩個(gè)世界都有各自對(duì)時(shí)間的理解，而我認(rèn)為我們正在慢慢接觸一些兩個(gè)世界交叉部分的東西。沒(méi)錯(cuò)，我們現(xiàn)在可以好好研究時(shí)間的本質(zhì)了，令人激動(dòng)。”

當(dāng)然，推進(jìn)佩奇-伍特斯機(jī)制研究的不止休伯爾一人。利亞維茨和他的同事也在探索如何讓佩奇-伍特斯時(shí)鐘成真。利亞維茨說(shuō)：“我們的起點(diǎn)是一個(gè)理論上成立的理想化時(shí)鐘，現(xiàn)在的目標(biāo)就是把它往現(xiàn)實(shí)的方向推進(jìn)。”2025年，利亞維茨研究了如何在不破壞精致糾纏狀態(tài)的前提下讀取佩奇-伍特斯時(shí)鐘。目前，他正在探索如何將許多不那么精確的時(shí)鐘（而非理想化時(shí)鐘）拼湊起來(lái)，給整個(gè)宇宙計(jì)時(shí)。

把黑洞用作宇宙的量子時(shí)鐘

與此同時(shí)，維魯奇認(rèn)為，她已經(jīng)在偶然間發(fā)現(xiàn)了大自然的終極時(shí)鐘。在此前同意大利國(guó)家研究委員會(huì)亞歷桑德羅·科波（Alessandro Coppo）的合作中，維魯奇檢視了理想化佩奇-伍特斯時(shí)鐘的條件。她知道至少有3個(gè)條件是必需的：

1.足以追蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的能量；2.與外部環(huán)境隔絕，保證系統(tǒng)演化不會(huì)受到外界噪聲影響；3.同計(jì)時(shí)對(duì)象發(fā)生糾纏的能力。

維魯奇和科波在2026年剛提交的一篇論文中提出，自然界中就有事物滿足上述三個(gè)條件：黑洞。這類能量極高的天體周?chē)?chǎng)極強(qiáng)，強(qiáng)到連光都無(wú)法逃脫黑洞視界，因此，黑洞似乎很難同外界發(fā)生相互作用。

不過(guò)，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在20世紀(jì)70年代證明，黑洞仍然可能同外部世界發(fā)生糾纏。假設(shè)黑洞視界處產(chǎn)生了一對(duì)糾纏的量子粒子，其中一個(gè)落入黑洞，另一個(gè)以輻射的形式逃逸出去。這樣一來(lái)，黑洞內(nèi)部就和外部聯(lián)系起來(lái)了，或許就可以充當(dāng)計(jì)時(shí)器。

維魯奇說(shuō)：“黑洞簡(jiǎn)直就是一個(gè)完美的時(shí)鐘，你不可能和它發(fā)生相互作用，但同時(shí)卻可以和它發(fā)生糾纏?！?/p>

那么，佩奇-伍特斯機(jī)制中負(fù)責(zé)時(shí)鐘的那部分有沒(méi)有可能就是黑洞？這個(gè)想法很大膽，但維魯奇希望有一天能夠真正檢驗(yàn)它。

從原理上說(shuō)，從研究量子時(shí)鐘那兒得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┮粋€(gè)切入點(diǎn)。假如黑洞真的能成為幾乎完全理想的時(shí)鐘，那么它會(huì)和量子時(shí)鐘一樣，計(jì)時(shí)過(guò)程會(huì)在熱力學(xué)領(lǐng)域以及它釋放的輻射熵中留下印記，也就是在量子關(guān)聯(lián)的傳播方式以及信息的受干擾方式中呈現(xiàn)。

這也是維魯奇和科波下一步的計(jì)劃：分析他們構(gòu)建的黑洞模型的熱力學(xué)狀態(tài)，并且尋找同量子時(shí)鐘中看到的動(dòng)力學(xué)熵類似的等價(jià)物。

在維魯奇看來(lái)，上面提到的一切進(jìn)展都強(qiáng)化了“時(shí)間并不基本，而是涌現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象”的觀點(diǎn)，并且還讓她提出了一個(gè)更深邃的想法。許多物理學(xué)家猜測(cè)，熱力學(xué)第二定律與時(shí)間的流動(dòng)有關(guān)，畢竟它們都有不可逆的性質(zhì)——總是傾向于從有序走向混亂。不過(guò)，雖然熱力學(xué)第二定律稱，宇宙的熵并不會(huì)減少，但也從來(lái)沒(méi)有禁止宇宙熵保持為常數(shù)。因此，熱力學(xué)第二定律仍舊無(wú)法解釋時(shí)間為什么會(huì)流動(dòng)。

然而，維魯奇指出，自然的確有一個(gè)真正無(wú)法逆轉(zhuǎn)的方面。在被測(cè)量之前，量子粒子存在于一大團(tuán)由各種可能的結(jié)果構(gòu)成的模糊之中。只有在被測(cè)量之后，量子粒子才會(huì)從這團(tuán)可能性云中坍縮成一個(gè)確定的值。沒(méi)人知道這種坍縮過(guò)程究竟是怎么發(fā)生的，但有一點(diǎn)可以肯定：坍縮一旦發(fā)生便不可逆。

維魯奇現(xiàn)在猜測(cè)，這就是時(shí)間運(yùn)作機(jī)制的關(guān)鍵。她說(shuō)，時(shí)間之箭或許僅僅只是記錄了哪些事物被測(cè)量了。我們通過(guò)與現(xiàn)實(shí)元素的相互作用——或者用物理學(xué)家的話來(lái)說(shuō)，通過(guò)“測(cè)量”——知曉了各種事件的時(shí)間順序，就像翻閱一本宇宙之書(shū)一樣。我們存在于這個(gè)世界上，光是這一點(diǎn)就讓量子現(xiàn)實(shí)坍縮成一個(gè)確定的狀態(tài)，留下不可逆轉(zhuǎn)的記錄。

維魯奇還說(shuō)，如果時(shí)鐘是記錄測(cè)量結(jié)果的物理系統(tǒng)——而且，我們也是這樣的系統(tǒng)——那么，我們或許不僅是觀測(cè)了時(shí)間，更是參與了時(shí)間的形成：“當(dāng)你詢問(wèn)時(shí)間是什么的時(shí)候，就在創(chuàng)造時(shí)間?！?/p>

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