时间会不会只是一种幻觉？李威

导读：时间会不会只是一种幻觉，肇始于某种我们还未知晓的更深层次结构？

一大早，我们一把抓过外套，拿起包和钥匙，急匆匆地出门上班——可能还会瞥一眼墙上的钟，确认时间是否充裕。时间的流逝是我们日常生活中避无可避的组成部分，即便你有意不去想它，都会有所感知。

这一切似乎都合情合理，但如果我们转而询问物理学怎么从根本上解释时间流逝，就会发现这个问题其实相当棘手。

阿尔伯特·爱因斯坦的相对论扭曲了时间，而量子理论则似乎完全没有考虑时间问题，现代物理学的其他理论无法令人满意地解释时间流逝问题。牛津大学娜塔莉亚·阿瑞斯（Natalia Ares）说：“这是科学最大的谜团之一。”

不过，物理学家一直在探索这个问题的答案，并且提出了各种猜想，其中一个最为大胆的如今又重新获得了重视。

早在20世纪80年代，物理学家就提出了一种假说：时间是一种幻觉，是量子力学的奇特原理在本无时间的宇宙中构造出来的。这就是彼时令所有人都眼前一亮的“佩奇-伍特斯机制”，但当时没有任何检验办法，所以便无疾而终。

如今，40年过去了，对时间流逝问题的新研究终于让我们可以细致考察这个假说了。另外，种种迹象表明，黑洞可能在时间流逝问题中扮演了神秘角色。

研究一下现代物理学的各种定律和方程，提示时间只能往一个方向流动的唯一线索来自热力学第二定律。这个定律指出，熵（衡量无序程度）总是倾向于增加。这就是为什么牛奶一旦倒到咖啡里就不能分离出来了、城堡坍塌成废墟后也无法自发重组成型。

这些结论当然很不错，但还远谈不上完美解释时间的本质。例如，按照热力学第二定律，宇宙的起点不太可能是一种有序的低熵状态，而这就是物理学无法解释的。

再来看看爱因斯坦的广义相对论，这个理论把时间和空间融合成一种灵活的思维结构，而且这种结构会在质量和运动的影响下扭曲。

在广义相对论框架下，一些令人头大的效应产生了，比如山顶上的时间流逝得比海平面区域快，因为山顶的引力更小。另外，在某些极端场景下——比如以接近光速运动的物体——不同观测者甚至会对各种事件的发生顺序产生分歧。爱因斯坦认为，只有当过去、现在和未来都像翻开的书页一样并排存在，这样的结论才说得通。

如果说相对论模糊了我们对时间的认识，那么量子理论就几乎完全抹去了时间的概念。

在量子理论中，时间并不是什么不可分割的东西，而是一种在背景中滴答作响的附属物——理论上，许多量子过程都可以在传统的时间意义上双向发生。量子理论与测量密切相关，但与位置、动量、能量等物理属性不同，时间不能直接测量。我们可以测量粒子的位置，但永远无法知道它的时间。

美国国家标准与技术研究所物理学家尼克尔·哈尔彭（Nicole Yunger Halpern）说：“时间是一个怪人，它看起来更像是我们手工添加的理论元素，而不是我们可以测量的量子系统的某些自然属性。”

如此种种让部分物理学家产生了一种激进的想法：时间会不会只是一种幻觉，肇始于某种我们还未知晓的更深层次结构？

佩奇-伍特斯机制

正是这个想法迫使物理学家唐·佩奇（Don Page）和威廉·伍特斯（William Wooters）在1983年提出了他们眼中的真实时间面貌。和爱因斯坦一样，他们也把整个宇宙视为单一静态物件。

不过，与广义相对论把时间看成并排的翻开书页不同，佩奇和伍特斯假设宇宙是一个巨大的量子波函数：一种编码了宇宙一切可能的庞大数学结构。在这个波函数中，每个粒子和它们可以运动的每一个方向，以及每一个场都可以折叠进一个波包中。而这个波函数本身并不会运动，它与时间无关。

接着，佩奇和伍特斯又把这个“冰冻”的结构一分为二。他们称，其中一半描述我们能观测到的一切“东西”：物质、运动、现实的混乱等。另一半则起到了内部钟的作用。连接这两个部分的是量子物理学中的一个怪异特征——“纠缠”，即两个处于纠缠状态的物体联系紧密，其中任何一个发生变化都会立刻影响另一个。

佩奇和伍特斯证明，在他们提出的这个一分为二的结构中，时间借助纠缠出现。

时间可能肇始于纠缠这种奇怪的量子现象

想想躺在桌子上的故事手稿，它就没有时间概念：故事的开头、中间和结尾都已经写就。可是，要想读懂整个故事，就一定要按照正确的顺序阅读手稿书页，页码就提供了一种将人物、情节、动作及其他静态元素联系起来的结构。佩奇和伍特斯提出，宇宙可能也是按照类似方式运转的。

宇宙这个巨大波函数中编码现实内容的部分就像书页上的文字。另一个具备时钟功能的部分就起到了页码的作用。正是这两个部分结合起来才创造出了时间展开的体验。以色列特拉维夫大学西蒙·利亚维茨（Simone Rijavec）说：“我觉得这个解释相当有说服力。”

甚至有迹象表明，这个想法并不是凭空捏造出来的空中楼阁。

2024年，意大利国家研究委员会宝拉·维鲁奇（Paola Verrucchi）根据佩奇-伍特斯机制构筑了一个简洁的数学模型，将一个由微小磁铁阵列制成的时钟同一个性质类似弹簧的量子系统置于纠缠状态之下。

从外部看，这个系统是静态的，保持在恒定能量的某个固定量子态中。不过，相对于时钟部分来说，这个类弹簧量子系统肯定是在拉伸、收缩的，展示出似乎存在时间顺序的变化。至关重要的是，当这个装置扩大时，相关效应仍然成立，这意味着纠缠现象产生的时间错觉即便在更大尺度的经典物理领域也仍然可能存在。

维鲁奇说：“从这个模型出发，你可以推导出一切我们知道切实有效的运动方程。”换句话说，佩奇-伍特斯机制的根本前提似乎的确是成立的。

不过，在根本上，佩奇-伍特斯机制还是留下了很多有待解答的问题。

其中，最基础的是，佩奇和伍特斯从来没有真正明确他们所说的“钟”到底应该是什么，也没有说明它是否同我们在日常生活中司空见惯的物理钟有什么相似之处。

另外，他们也没有充分解释我们熟悉的时间体验是怎么从这张量子纠缠网络中诞生的。

另外，纠缠通常是一种非常脆弱的联系，那么如果我们持续不断地同佩奇-伍特斯宇宙中的内置时钟纠缠在一起，为什么时间的流逝这么顺畅？我们的观测竟然从未对这种纠缠状态产生干扰？

量子时钟是怎么工作的？

几十年来，佩奇-伍特斯机制深深地扎根在理论和思想实验领域，缺少实证。不过，现在，越来越多的研究把这个想法拽入实验室，提出了不少可以检验的问题。这股浪潮的一部分推动力来自一个意想不到的方面：量子技术。在过去十年中，量子计算机、量子传感器和其他设备都已经成熟起来，跨越了概念验证阶段，进入了一个依赖更精细控制的时期。