編譯 高原興 謝懿

約一個(gè)世紀(jì)前，兩位偉人就時(shí)間的本質(zhì)展開了辯論。其中一位是法國(guó)哲學(xué)家、超級(jí)巨星亨利·貝格松（Henri Bergson）。他露面時(shí)，粉絲們蜂擁而至，造成紐約百老匯交通擁堵。貝格松相信，時(shí)間的意義超出了時(shí)鐘測(cè)量結(jié)果的范疇，還有數(shù)學(xué)和心理學(xué)解釋。他還認(rèn)為，只有哲學(xué)才能揭示人類對(duì)時(shí)間的體驗(yàn)，即持續(xù)長(zhǎng)短和方向性。

貝格松的反方是物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦。在提出了相對(duì)論后，愛因斯坦相信時(shí)間是一種獨(dú)立于人類意識(shí)的物理實(shí)體，可以加速或減速。他認(rèn)為，時(shí)間和空間交織在一起，在靜態(tài)宇宙中沒有明確的過去、現(xiàn)在和未來。

即使到了100年后的今天仍在激烈地爭(zhēng)論，為什么人類所感知的時(shí)間與物理學(xué)中的時(shí)間如此迥異。現(xiàn)在有新的線索開始暗示，測(cè)量時(shí)間的裝置可能對(duì)找到上述問題的答案至關(guān)重要。

這些線索來源于廣義相對(duì)論。在該理論中，時(shí)鐘被視為完美的理想裝置。無論放大多少倍，時(shí)鐘的讀數(shù)都連續(xù)而準(zhǔn)確，但實(shí)際情況并非如此。時(shí)鐘是由物理器件組成的裝置，不可能理想化。更真實(shí)地了解時(shí)鐘也許是最終認(rèn)識(shí)時(shí)間的關(guān)鍵。

任何變化的事物都可以用來測(cè)量時(shí)間。日晷利用太陽的移動(dòng)，水鐘利用水的流動(dòng)，甚至由一杯茶的溫度都可以估計(jì)出它是什么時(shí)候沏的?，F(xiàn)如今，廣為使用的是精密的機(jī)械鐘和原子鐘。它們能以特定的頻率可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，精準(zhǔn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一杯茶的水平。

自17世紀(jì)天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）發(fā)明第一臺(tái)擺鐘以來，時(shí)鐘的精準(zhǔn)度一直在穩(wěn)步提升，成就非凡。當(dāng)前最先進(jìn)時(shí)鐘的精準(zhǔn)度極高，200億年內(nèi)偏差不會(huì)超過1秒，這樣時(shí)間跨度已經(jīng)超過了宇宙的年齡。盡管性能極佳，但代價(jià)也極為巨大。

時(shí)鐘的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要能源。老爺鐘必須上發(fā)條，掛鐘則需要電池供電。最精準(zhǔn)的原子鐘則需要由高功率激光驅(qū)動(dòng)的原子改變能級(jí)時(shí)所發(fā)出的電磁信號(hào)來走時(shí)。

這不足為奇。但最新研究表明，除了能源之外，時(shí)鐘的運(yùn)轉(zhuǎn)可能還與其他因素有關(guān)。若時(shí)鐘作為一種熱力學(xué)機(jī)器，內(nèi)在的物理學(xué)規(guī)律會(huì)限制其基本性能。這不僅意味著測(cè)時(shí)精度可能會(huì)受限，對(duì)哲學(xué)家思考時(shí)間的方式也會(huì)產(chǎn)生重大影響。

熱力學(xué)機(jī)器有兩種。第一種是熱機(jī)，熱力學(xué)決定了其效率最大值，例如冰箱和內(nèi)燃機(jī)。第二種則是信息存儲(chǔ)設(shè)備，例如脫氧核糖核酸和硬盤，熱力學(xué)決定了從其中刪除信息的成本。如果時(shí)鐘是第三種熱力學(xué)機(jī)器，熵決定了其時(shí)間測(cè)量的精準(zhǔn)度。

在熵的概念出現(xiàn)前，1824年工程師薩迪·卡諾（Sadi Carnot）就確定了熱機(jī)的最大效率。他的計(jì)算為發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律鋪平了道路。該定律稱，對(duì)于任何封閉系統(tǒng)，即沒有物質(zhì)流入或流出的系統(tǒng)，熵作為無序性或隨機(jī)性的一種度量，會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。

低熵意味著高有序性。在一個(gè)密閉的盒子里，如果原子都聚集在某個(gè)角落，而非無序地散布其中，那么該系統(tǒng)的熵就很小。然而，有序排列原子的途徑少于無序排列的情況，即無序排列的可能性更大，因此諸如宇宙這樣的封閉系統(tǒng)會(huì)變得無序。一杯熱茶會(huì)向周圍散發(fā)熱量，導(dǎo)致總熵值增大，但茶水絕不會(huì)自發(fā)升溫。由此產(chǎn)生了時(shí)間之箭。

熱力學(xué)第二定律是唯一一個(gè)在時(shí)間上不可逆的物理定律，正因如此，熱力學(xué)被用來解釋時(shí)間之箭。但是，熱力學(xué)第二定律并非事情的全部。為什么人類所感知的時(shí)間總是向前流淌仍是一個(gè)問題。今天的許多物理學(xué)家認(rèn)為，這可能只是一個(gè)幻覺。

如果熱力學(xué)的時(shí)間之箭能與時(shí)間的實(shí)際測(cè)量聯(lián)系起來，那么熱力學(xué)會(huì)有助于解釋人類究竟是如何感知時(shí)間的。這里所需要的是熱力學(xué)和守時(shí)之間的直接聯(lián)系，用它可以解釋為什么隨著宇宙的熵增所有的時(shí)鐘都朝著同一個(gè)方向運(yùn)行。只有找到了這種聯(lián)系，也許才能回答愛因斯坦和貝格松所辯論的一些問題。一部分致力于此的科學(xué)家把目光轉(zhuǎn)向了時(shí)鐘。

幾年前，有物理學(xué)家開始試圖探究時(shí)鐘的本質(zhì)。他們把量子時(shí)鐘建模為一個(gè)易于追蹤能流的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出了三原子時(shí)鐘系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個(gè)冷原子、一個(gè)熱原子和一個(gè)借由前兩者間能流來走時(shí)的原子。2017年公布的結(jié)果顯示，精準(zhǔn)度越高，其消耗的能量就越多。盡管這是一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，但仍然停留在純理論層面。直到2020年，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)才就緒。

科學(xué)家用一片懸掛著的、厚約50納米的氮化硅薄膜制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的擺鐘。相比單擺，它其實(shí)更像一面鼓。鼓膜的每一次振動(dòng)都對(duì)應(yīng)于時(shí)鐘的一次走時(shí)。外加電場(chǎng)可以增大鼓膜振動(dòng)的幅度。為了確定時(shí)鐘的精準(zhǔn)度，也就是走時(shí)的規(guī)律性，這面鼓被連接到了一個(gè)帶有電壓表的電路上。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置非常精妙。

該實(shí)驗(yàn)證明，鼓膜接收的能量越多，走時(shí)越精準(zhǔn)，產(chǎn)生的熵也越多。由于時(shí)間測(cè)量會(huì)導(dǎo)致不可逆的熵增加，這是首次對(duì)時(shí)間向前流淌的原因作出解釋，并給出了熱力學(xué)時(shí)間之箭和感知時(shí)間之間的明確聯(lián)系。

它也加深了對(duì)時(shí)間和熱量之間嚴(yán)格關(guān)系的認(rèn)識(shí)。簡(jiǎn)單來說，如果沒有熱量，就無法區(qū)分過去和未來。上述實(shí)驗(yàn)支持了熱時(shí)間假說。該假說認(rèn)為，時(shí)間是由人類宏觀尺度的熱力學(xué)定律所產(chǎn)生的，與微觀尺度無關(guān)。

關(guān)鍵的是，該研究還證明，并非只有人類能體驗(yàn)到時(shí)間之箭。 測(cè)量時(shí)間的無論是有意識(shí)的人，還是探測(cè)設(shè)備，其實(shí)并不重要，熵都會(huì)增加。也就是說，人類對(duì)時(shí)間的感知并不是意識(shí)的結(jié)果，它可能從物理上就構(gòu)建在守時(shí)的過程中。如果這樣，貝格松的觀點(diǎn)就會(huì)站不住腳，而愛因斯坦對(duì)時(shí)間是一種物理實(shí)體的觀點(diǎn)則是正確的。

這并不是第一次研究能量消耗和時(shí)鐘精準(zhǔn)度之間的聯(lián)系。海洋藍(lán)藻體內(nèi)的生化鐘也存在類似的關(guān)系，能幫助它們?cè)谌粘鲋昂铣晒夂献饔盟璧幕瘜W(xué)物質(zhì)。然而，藍(lán)藻是生命體，并非機(jī)械時(shí)鐘。因此，除了受限于能量外，其時(shí)鐘的精準(zhǔn)度可能還受到了生物演化的影響。

不過，這些規(guī)則似乎并不適用于所有時(shí)鐘。精準(zhǔn)度最高的原子鐘比理論預(yù)言的更加高效。由于這些鐘由復(fù)雜的電路、探測(cè)器和反饋組成，因此難以對(duì)它們的能流建模。

如果能證明原子鐘也遵循能量消耗和精準(zhǔn)度之間的關(guān)系，其意義將超越證明時(shí)間之箭獨(dú)立于人類意識(shí)。時(shí)鐘和熱力學(xué)之間的聯(lián)系可能也會(huì)反映在更小尺度上的時(shí)間里。如果時(shí)間測(cè)量的精度存在極限，那么這是否意味著時(shí)間本身并非是完全連續(xù)的，而是離散的，就像光由光子組成一樣。

回答這個(gè)問題會(huì)很棘手。要想探測(cè)目前最好的粒子加速器也無法企及的時(shí)空最小尺度，需要巨大的能量。當(dāng)能量高到一定程度時(shí)，則可能會(huì)制造出一個(gè)黑洞，破壞整個(gè)實(shí)驗(yàn)，表明不可能無限制地分辨時(shí)間。對(duì)于時(shí)間間隔的測(cè)量存在基本的限制。這可能與由熱力學(xué)導(dǎo)致的限制有關(guān)，但目前尚不清楚兩者的聯(lián)系。

在微觀時(shí)間尺度上探測(cè)時(shí)間不但令人興奮，還與量子力學(xué)和測(cè)量問題相關(guān)。不同于在相對(duì)論中時(shí)間具有局部和相對(duì)特性，量子力學(xué)假定存在一個(gè)全局的背景時(shí)間。量子力學(xué)鐘不存在時(shí)間之箭。時(shí)間無論向前還是向后，量子力學(xué)的方程都成立有效。但有時(shí)這一可逆性會(huì)被打破。在測(cè)量一個(gè)量子系統(tǒng)時(shí)，測(cè)量行為會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)從一個(gè)混合有不同可能狀態(tài)的疊加態(tài)坍縮成一個(gè)特定的輸出結(jié)果。這個(gè)過程是不可逆的，由此產(chǎn)生了時(shí)間之箭。時(shí)間究竟是如何既包含又不包含時(shí)間之箭的，是量子力學(xué)的眾多謎題之一。但如果熱力學(xué)可以解釋人類感知的時(shí)間之箭，或許它也可以用于解釋量子力學(xué)的時(shí)間之箭。

要測(cè)量，就必須施加作用。但在量子力學(xué)中忽視了這一過程的本質(zhì)。測(cè)量行為應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一股可以用熱力學(xué)定律來描述的能流。測(cè)量也許本質(zhì)上就是熱力學(xué)第二定律的體現(xiàn)。類似于時(shí)鐘，量子力學(xué)測(cè)量可能也會(huì)造成熵增加，形成時(shí)間之箭。

另一方面，這些研究還有助于檢驗(yàn)一些意在調(diào)和量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的量子引力理論。但相關(guān)的實(shí)驗(yàn)極其困難。由于引力場(chǎng)十分微弱，一種方法是讓大質(zhì)量物體處于量子疊加態(tài)來探測(cè)引力效應(yīng)，但目前只在最多由2 000個(gè)原子構(gòu)成的分子上實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。另一種方法就是使用量子時(shí)鐘來開展超高精度的測(cè)量。如果能制造出在短時(shí)標(biāo)上也極為精準(zhǔn)的時(shí)鐘，就相當(dāng)于在實(shí)驗(yàn)室里布設(shè)了一個(gè)可檢驗(yàn)引力效應(yīng)的量子實(shí)驗(yàn)裝置。

任何意圖解釋引力和量子力學(xué)的理論都必須能描述時(shí)鐘在量子尺度上的運(yùn)轉(zhuǎn)。認(rèn)識(shí)時(shí)鐘的本質(zhì)，了解量子力學(xué)和相對(duì)論與時(shí)鐘之間的相互作用，可能是統(tǒng)一這兩種理論的重要步驟。

貝格松和愛因斯坦的辯論使得廣義相對(duì)論與諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)主席表示，雖然情況很復(fù)雜，但法國(guó)著名哲學(xué)家貝格松公然挑戰(zhàn)這一理論卻是盡人皆知。最終，愛因斯坦因光電效應(yīng)而獲獎(jiǎng)，后者自然少了些獨(dú)特性。但100年后的今天，愛因斯坦似乎才是真正的贏家。下一個(gè)問題則是能否找到一條統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的道路。只有時(shí)間才能回答。

資料來源 New Scientist