时间有无起止点？相对论中找答案！

管季超0712

时间有无起止点？相对论中找答案！
译者：果果向前冲原文作者：TOSIN THOMPSON

作者：白拓森·汤姆森

每年我们都在时间旅行。

秋来，我们快出一小时；夏至，我们慢出一小时。每四年，二月多得一天，每三年左右又在一分钟后递增一秒。

时间出现，复又消失。但不论一分钟是何方神圣，等一分钟吧。时间不会凭空出现又凭空消失不是吗？时间借给宇宙哪怕一秒、一小时、亦或一天，到了最后期限宇宙也必须还回去不是吗？然而这一直以来，时间又去哪儿了呢？

时间难以定义。我们用年（即地球绕太阳一周所需时间）、月（农历月即月亮阴晴圆缺一周期）、日（即地球自转一圈）来加以衡量。时、分、秒、毫秒、纳秒等都是人为的时间框架，属人类自创。

时间这一概念并不一定适用于宇宙。

时间与太阳总有着不解的情缘。古埃及人和巴比伦人用日晷将白天大致划分为12等份（小时），而古美索不达米亚人又以60进制编号系统规定一小时60分钟，一分钟60秒。法国人曾试图以10进制取代12进制来计时，然此法从未实现。希腊人对日晷做了改进，以渐变的刻度标记划分时段。

紧接着，科学革命到来，从1550年一直持续到1700年。据伽利略的首位传记作家文琴佐·维维亚尼记载，1583年年方20的伽利略在比萨大教堂祷告时倍感无聊，正在他神游天外时，一盏摇曳的长明灯吸引了他的眼球。好奇心作祟，他禁不住摆弄长明灯，探索它摆动一个来回所需时间，以脉搏为大大小小的摆幅计时。

伽利略“每次摆动时间相同”的这一重大发现前无古人，随后摆钟诞生了，成为当时最精确的一种计时法。那之后，其他钟表也被发明出来，譬如1759年的用于测定经度的精密计时器H4，再譬如1944年的瑞士表。手表成为时尚只是迟早的问题，人人都得看时间。

1928年，小镇上乍现一款不含任何活动部件的新型钟表：石英晶体时钟，一时冠压群钟、风头无两。随后的1955年，物理学家路易斯·伊森和杰克·帕里在国家物理实验室里发明了一款与众不同的钟表，即世界首款原子钟Caesium I。此钟现展出于伦敦科学博物馆，其性能远超现有的摆钟和石英钟。通过计算铯原子的振荡频率来计时，精准无比，每三百年仅有一秒的误差。

时间由此改变，一秒也不再定义为86,400分之1天（注：86400=24时x 60分钟x 60秒）。1967年的第13届重量测量大会将一秒规定为“133铯原子从基态在两个不同能级中发生9,192,631,770次能量跃迁。”

官方的原子秒比协调世界时稍快一点，因此正常来说，每三年就要加一闰秒以示区别。而在1972年首次增加闰秒之前，协调世界时就已经比原子时晚10秒了。

自此，科学家们一直在该基础上细细打磨，精准度超乎想象。对锶晶格原子钟的最新一次修正已精确到150亿年每秒，这比宇宙存在的时间还要长。

历史课到此为止，那时间究竟是何方神圣？要理解时间这一概念，你得先做件小事，把时间运行的所有直觉经验都抛诸脑后。

快速翻阅一本书，你会发现书的页数有限，有头有身有尾。人类都有叙事的偏好，喜透过故事感知世界。

一切故事皆有头、有身、有尾。人的大脑会借助叙事将铺天盖地的信息进行压缩处理，把事实故事化。当然，我们自己则摇身一变，成为叙事中人格复杂的主人公，有惧怕、也有希冀，还有些许疯狂。

我们表皮之外的一切都是一种支撑，是一种能完美契合到故事中的双重人格。（或许是手持苹果笔记本、着装时髦的家伙，或许是地铁上那个对手机爱不释手的女孩，又或许是帮我拎购物袋的好心人，等等。）

做这些事情并非刻意。叙事如斯重要，事关生存。它是你变为一副臭皮囊前，最不想放弃的一件事。少了叙事，就缺乏意识；而少了意识，耳边回响的就无非是一些白色噪音罢了。

若你有首尾皆不存在的这种想法，认为首尾都只是人为虚构用来窥探我们周围虚实的，那你的大脑就会陷入一片混乱，心理学中称之为认知失调。治愈良方即忽略旧思想，接受新思潮。

故这正是将老思想准时抛诸脑外的好时候。

时间、空间密不可分，要了解时间，必了解时空。缘何？皆因真空中的光速不受观察者（粒子也算观察者）的行为支配。这就是埃尔伯特·爱因斯坦1905年展示的狭义相对论。

要理解狭义相对论，你必先使自己熟悉速度等式：速度（s）=位移（d）÷时间（t）。

所有观测物的光速都相同，也即人们熟知的常量“c”（此c即公式E=mc2中的c，其中E为能量，M为物体质量）。因此对任何观察者而言，不论运动速度如何，光速都是一个常量。正因为光速恒定，速度等式中一些变量就要妥协，那就是时间。实验证明当速度愈来愈快接近光速时，时间就会慢下来。物体的10分钟相当于观察者的20分钟，所以快速移动的物体的将来也相当于缓慢移动的观测者的过去，反之亦然。

这种相对效应称之为时间膨胀。物体运动越快，时间过得越慢，这就解释了为什么会跑的时钟比台式钟走的慢。观察员A在低速列车A上用手表计时，而观察员B以高速经过时，复制了观察员A手表上的确切时间。然而，在观察员A看来，观察员B的手表走得比自己的慢。这就是爱因斯坦说“时间即幻觉”的原因。

另外，固定时间间隔内高速运动的物体比低速运动的物体位移大，因此再返回到速度等式：

狭义相对论也适用于同时性概念。如果观察员A断定两件事同时发生，相对A运动的观察员B或许就不以为然了。由于光速的恒定性，事件发生的顺序也会出现差异。这条优酷视频将对此概念给出直观解释。

从《韦伯辞典》的定义来看，时空是“由时间和三维空间坐标组成的系统，可定位一切自然物体和事件。”因此若时空不再恒定，那什么是呢？答案是：时空间隔。所谓时空间隔，即两个独立事件间的时空差异，见等式：

时空间隔的平方=两事件间距的平方-光速的平方X 两事件相隔时间的平方

由于等式涉及减法，时空间隔可正可负可为零。当时间间隔为正时，两事件可看为由“类空间隔”独立开来。在类空间隔里，从两事件中获取不到任何信息，观察者们对两事件发生的先后顺序异议不断。在优酷视频中，曼彻斯特大学的物理学家布莱恩·科克斯教授给出例子：“太阳距离我们8光分（光在1分钟内走的路程）远——也就是说，光从太阳到达地球需要8分钟。假如太阳发生爆炸，8分钟后我才能注意到。因此假设太阳爆炸了，在我看来，4分钟已过去。我对此仍一无所知，故太阳对地球构不成任何威胁——在这8分钟内，两者是完全隔绝的。”

在类空间隔中，事件发生的先后顺序可发生变化。X以接近光速的速度经过太阳系时，可看到Y正谈论8分钟前太阳爆炸一事，而Z看到的却是Y在太阳爆炸的8分钟前说及此事。

当时空间隔为负或为零时，两事件可看作是由“类时间隔”和“类光间隔”独立开来。在两种情况下，从两事件中都可感知信号，获取信息，且所有人对事件发生的先后顺序意见一致。在优酷视频中，科克斯教授也给出例子：“假如我冲你扔球，将你撞到墙上，则此举是球造成的。爱因斯坦的理论中，你绝不可能改变身边事件的顺序……顺序不会是你先撞倒墙上，然后我在冲你扔球。”

因此我们虽对过去、现在、将来、时间或距离存在分歧，但对因果关系看法一致。这看似奇怪，因为我们总以时间衡量因果，而事实却恰恰相反。对现世一切的认同都在于因果。你可以说因果关系是唯一“真实”的存在，那么它和时空又有什么关系呢？答案即：一切皆相关。

就在爱因斯坦的理论提出后不久，他的前任数学教授赫曼·闵可夫斯基注意到时空间隔类与“距离”公式的一个怪异变式——“非欧几何”类似。闵可夫斯基紧接着提出一大史诗性观点：或许现实也就是我们所生活的这片宇宙，并非涉及时间的三维空间，也可能是一个四维的“非欧”即存空间。举个例子来说，若时空一直存在又当如何？没有进化，没有时间，就只是存在。

下面的四维空间可以是时空，所有事件都与各个点相连：

图片来源：优酷截屏

借助一个应用量子修正项目以补充爱因斯坦广义相对论的新模型，2014年《物理快报B版》上发表了一篇论文赞同闵可夫斯基的提议，称宇宙无始亦无终，以“整块宇宙”的形式存在。该模型还有助于解决暗物质和暗能量的难题。

当前，有些宇宙学家不认为“宇宙大爆炸”是由物质挤压引起的物质反弹（“大反弹”），他们相信宇宙有能级，并经历着从挤压到反弹的周期循环。

“【大反弹】一说事实上疑点重重，因为我们知道宇宙不会再重新崩塌一次。相反因暗能量之故，宇宙还会不断延伸。其中，70%由类型未知的力和能量构成。它们对宇宙的最大影响在于能够随时间加速宇宙扩张，因此宇宙不仅会随时光流逝扩大地盘，扩张速度还会呈加速上升，”伦敦皇家学院的天体物理学家罗伯特·特罗塔在设于剑桥大学的科学广播脱口秀《赤裸科学家》中如是说。

“宇宙大收缩论会为宇宙画上句点，而此句点将呈现一片黑暗，一切物质都将被吸进黑洞。。。但那时2000亿年后的事情了，我们现在没什么好担心的，”他又继续道。

我们对时间和空间的理解还是那么武断，那么虚无。就像上学时用过的直角坐标散点图一样，它对我们讨论坐标图上的信息很有用，但自身却没多大意义，仅仅是放在那儿而已。不论它存在与否，散布在网格图上的信息都是客观存在的。

你是真实存在的吗？算是吧。假如你作为过去的现在的顺序，那么你就是一个四维空间里的非欧几何对象。也就是说，你是你自己的时空间隔，是一条经历出生到死亡的（人生段）线段。你在线段上移动了吗？非也，你即线段。时空无移动一说，是没有时态的。人为规定的过去/将来/现在时态终是虚无，还记得那个XY坐标的类比吧。因此你的人生业已存在，而并非先定。

下面类比可帮助理解时空概念：想象我们都在读《指环王》。我们都认同故事中发生的事件，却在事件发生的页码、描写该事件的页数以及一些事件发生的先后顺序上存在分歧，然而我们都在看同一本书啊。但是没有页码……没有页数……也没有书。所有这些都是我们理解事物所产生的一种臆想。

纽约大学的研究科学家加布里尔·裴瑞兹-吉斯在一优酷视频中对这种臆想给出了直观解释。

若我们将爱因斯坦1915年发表的广义相对论杂糅，想必空间和时间会更为复杂。会出现不同维度的多元时空，宇宙也改名为“多元宇宙”，这将使得锁定我们生存的这片宇宙陷入困境。

“【一些研究者】假设平行宇宙存在，我们的这片宇宙由【四维宇宙】构成，但如果还存在另外维度又该当如何？我们事实上连自身都无法看透，”《赤裸科学家》脱口秀上，特罗塔说道。

综上所述，我们为何要将时空看做，好吧，空间和时间？至少到现在，答案还无人知晓。