時間難題

一直以來，物理學家都在努力闡明一個問題：時間究竟是什么？這種疑惑并非哲學上的吹毛求疵；相反，這個問題正處在科學中一些最深刻、最棘手問題的核心位置。

現(xiàn)代物理學依賴于不同但又同等重要的理論框架：其中之一是愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論，它描述了像行星這樣的宏觀天體的引力作用及其運動規(guī)律；另一個是支配了原子與粒子的微觀世界的量子力學；在更宏觀的尺度上，宇宙學標準模型描述了整個宇宙的誕生與演化。它們都離不開時間，卻又以彼此不相容的方式對待時間。

當物理學家試圖把這些理論統(tǒng)一進同一個框架時，時間常常以出人意料、甚至會造成麻煩的方式呈現(xiàn)：有時它會被拉伸；有時它會變慢；有時它甚至會徹底消失。

相對論是對我們?nèi)粘r間直覺的第一次重大打擊。它表明時間并非普適一致：時間流逝的快慢取決于引力與運動狀態(tài)。兩個彼此相對運動的觀察者，會對哪些事件是同時發(fā)生的產(chǎn)生分歧。于是，時間變成了一種“有彈性”的東西，與空間共同交織成了四維“時空”。

量子力學讓情況更加離奇。在量子理論中，時間并不是理論需解釋的對象，而是被直接預設的。量子力學方程描述系統(tǒng)如何“相對于時間”演化，但時間本身仍是一個外在參數(shù)——一個置于理論之外、作為背景存在的“時鐘”。

當物理學家試圖在量子層面描述引力時，這種不匹配就會變得尤為尖銳。而“在量子層面描述引力”這一步對發(fā)展物理學家夢寐以求的“萬物理論”至關(guān)重要——這種理論旨在把主要的基本理論統(tǒng)一起來。但在許多構(gòu)建萬有理論的嘗試中，時間作為一個參數(shù)竟會從基本方程中完全消失：宇宙看起來像被“凍結(jié)”了一樣，只能用不涉及“變化”的方程來描述。

這一難題被稱為“時間問題”，至今仍是通向統(tǒng)一理論最頑固的障礙之一。盡管宇宙學與粒子物理學已取得巨大進展，但我們?nèi)詿o法清晰地解釋時間為何會流動。

如今，一種相對較新的物理學路徑開始給出令人驚訝的答案。它建立在一種被稱為信息論的數(shù)學框架之上，該框架是由香農(nóng)（Claude Shannon）在20世紀40年代發(fā)展起來的。

熵與時間之矢

當物理學家試圖解釋時間為什么有方向時，常常會借助一個概念——熵。熱力學第二定律指出，無序傾向于增加。例如，一個玻璃杯可以落地摔成碎片、變得一團糟，但這些碎片不會自發(fā)地躍回原位、重新拼合。過去與未來之間這種不對稱，常常被視為“時間之矢”。

這一思想影響極其深遠。它解釋了許多過程為何不可逆，包括為何我們記得過去，卻不記得未來。如果宇宙以低熵狀態(tài)開端，并在演化中變得越來越凌亂，這似乎就能解釋時間為何向前流動。但熵并不能徹底解決時間問題。

首先，在最基礎的層面，量子力學的方程并不能區(qū)分過去與未來。只有在我們考慮大量粒子及其統(tǒng)計行為時，時間之矢才會顯現(xiàn)出來。這又引出了更深的一個問題：為什么宇宙起初會處在如此低熵的狀態(tài)？從統(tǒng)計學上說，一個宇宙擁有高熵狀態(tài)的方式比低熵多得多——就像讓一個房間變亂的方法遠多于讓它保持整潔的方法。既然低熵在統(tǒng)計上如此“不太可能”，宇宙為什么偏偏從這樣一個罕見狀態(tài)開始呢？

信息革命

過去幾十年里，物理學界悄然發(fā)生了一場深遠的革命。信息曾被當作一種抽象的記賬工具，用來追蹤狀態(tài)或概率；如今它越來越多地被視為一種本身就具有物理性的量，就像物質(zhì)或輻射那樣。熵衡量的是存在多少種可能的微觀態(tài)；而信息衡量的是物理相互作用如何限制并記錄這些可能性。

這種轉(zhuǎn)變并非一蹴而就，而是在熱力學、量子力學與引力的交匯處，圍繞一系列難題而逐步浮現(xiàn)的：當我們把信息僅僅當作數(shù)學對象來處理時，矛盾便開始出現(xiàn)了。

最早的裂縫之一出現(xiàn)在黑洞物理學中。當霍金（Stephen Hawking） 表明黑洞會輻射出熱輻射時，一個令人不安的可能性隨之出現(xiàn)：落入黑洞的一切信息，都可能以“熱”的形式永久丟失。這個結(jié)論與量子力學相沖突，因為量子力學要求信息必須完整保存。

為了解決這一矛盾，物理學家不得不面對一個更深層的事實：信息不是可有可無的“附加項”。如果我們要給出一個包含量子力學在內(nèi)的、對宇宙的完整描述，信息就不能“說沒就沒”，否則就會動搖物理學的根基。這一認知帶來了深遠的后果：人們逐漸清楚，信息具有熱力學代價——抹除信息會耗散能量，而存儲信息則需要物理資源。

與此同時，引力與熱力學之間也浮現(xiàn)出令人驚訝的聯(lián)系。研究表明，愛因斯坦的方程可以從熱力學原理中推導出來，而這些原理把時空幾何與熵和信息直接聯(lián)系在一起。在這種視角下，引力的行為并不完全像一種基本力。

相反，引力看起來更像物理學家所說的“涌現(xiàn)”現(xiàn)象——一種從更基本的基本成分中涌現(xiàn)出來、整體效應大于部分之和的現(xiàn)象。以溫度為例：我們都能感受到溫度，但在最基本的層面上，單個粒子并沒有溫度。溫度并不是一種基本屬性；它只會在大量分子共同運動時，作為一種整體性質(zhì)涌現(xiàn)出來。

同樣，引力也可以被描述為一種從統(tǒng)計過程涌現(xiàn)的現(xiàn)象。一些物理學家甚至提出，引力本身可能從信息中涌現(xiàn)出來——它反映了信息是如何分布、編碼與處理的。

這些觀點促使我們進行一次激進的視角轉(zhuǎn)變：與其把時空視為第一性的、把信息當作“存在于時空內(nèi)部”的東西，信息或許才是更基本的成分，時空本身反而可能由信息涌現(xiàn)而來?；谶@一路線，萊頓大學的物理學家Florian Neukart探索了一個框架：時空本身充當信息的存儲介質(zhì)——而這會對我們?nèi)绾卫斫鈺r間產(chǎn)生重要影響。

在這種方法中，時空并非如相對論所暗示的那樣完全光滑，而是由離散的單元組成；每個單元記錄穿行其中的粒子與場所攜帶的量子信息的能力都是有限的。這些單元并不是在計算機里的數(shù)字比特，而是承載量子信息的物理載體，能夠保留過去相互作用的“記憶”。

理解它們的一個有用方式，是把時空想象成一種由微小、攜帶記憶的“單元格”構(gòu)成的材料。正如晶體的晶格會“保存”過去形成的缺陷，這些微觀時空單元也能保留穿過它們的相互作用痕跡。它們并不是粒子物理學標準模型所描述的通常意義上的粒子，而是一層更為根本的物理結(jié)構(gòu)；粒子物理學是在這層結(jié)構(gòu)之上運作，而不是用來解釋這層結(jié)構(gòu)的。

這帶來一個重要推論：如果時空會記錄信息，那么它此刻的狀態(tài)不僅反映當下存在什么，也反映此前發(fā)生過的一切。經(jīng)歷過更多相互作用的區(qū)域，會攜帶與經(jīng)歷較少相互作用的區(qū)域不同的信息印記。在這種觀點下，宇宙并不只是把永恒不變的定律施加于不斷變化的狀態(tài)之上、從而演化。它會記住。

一個會記錄的宇宙

這種“記憶”并非隱喻。每一次物理相互作用都會留下信息痕跡。盡管量子力學的基本方程可以在時間上向前或向后運行，但真實的相互作用卻從不會孤立發(fā)生：它們不可避免地涉及到周圍環(huán)境，把信息向外泄露，并留下關(guān)于發(fā)生過什么的持久記錄。一旦這些信息擴散到更廣闊的環(huán)境中，要把它恢復，就不僅需要“撤銷”某個單一事件，還必須撤銷它沿途造成的每一次物理改變。在實踐中，這是不可能做到的。

這就是信息無法被抹除、破碎的杯子也不會重新拼合的原因。但其中更為深遠的含義是：無論是在原子碰撞還是星系形成的尺度上，每一次相互作用都會在宇宙結(jié)構(gòu)中寫下某些永久的東西。

在這一視角中，幾何與信息被發(fā)現(xiàn)是深度相連的。Neukart在研究中表明：時空如何彎曲不僅取決于質(zhì)量與能量——正如愛因斯坦所揭示的那樣——也取決于量子信息（尤其是糾纏）的分布方式。糾纏是一種量子過程，它以神秘的方式把空間中相距遙遠區(qū)域的粒子聯(lián)系在一起，使它們即便相隔甚遠也能共享信息。而這些信息性的聯(lián)結(jié)，會對物質(zhì)與輻射所經(jīng)歷的“有效幾何”作出貢獻。

從這一角度看，時空幾何不僅是對某一時刻“存在什么”的回應，也會回應“曾經(jīng)發(fā)生過什么”。那些記錄了大量相互作用的區(qū)域，平均而言更傾向于呈現(xiàn)出更強的時空彎曲（也就是更強的引力效應）；而記錄較少相互作用的區(qū)域則相對較弱。

這種重塑會微妙地改變時空的角色。時空不再只是事件展開的中立舞臺，而是一個積極的參與者：它存儲信息，約束未來的動力學過程，并塑造新的相互作用如何發(fā)生。于是，一個更深的問題自然浮現(xiàn)：如果時空會記錄信息，那么時間是否可能并非一開始就被當作前提“假設進去”，而是從這種記錄過程本身涌現(xiàn)出來？

從信息中涌現(xiàn)的時間

最近，Neukart把這一信息視角進一步擴展到時間本身。他不再把時間視為一個基本的背景參數(shù)，而是表明：時間的先后順序是從不可逆的信息印刻中涌現(xiàn)出來的。在這種觀點中，時間不是被人為地加進物理學的東西。它之所以出現(xiàn)，是因為信息會在物理過程中被寫入，并且在已知的熱力學與量子物理定律之下，不可能在全局范圍內(nèi)再被徹底“反寫”回去。這個想法很簡潔，卻意義深遠。

每一次相互作用——例如兩個粒子的碰撞——都會把信息寫入宇宙。這些印記會不斷累積。由于它們無法被抹除，所以它們便定義了事件的自然排序：較早的狀態(tài)擁有更少的信息記錄，較晚的狀態(tài)則擁有更多。

量子方程并不偏好時間的任何一個方向，但信息擴散的過程卻有。一旦信息擴散開來，就沒有一條物理路徑能回到信息仍然局域、尚未擴散的狀態(tài)。因此，時間順序根植于這種不可逆性之中，而非方程本身之中。

在這一視角下，時間并非獨立于物理過程而存在；它是已經(jīng)發(fā)生事件的累積記錄。每一次相互作用都會增加一條新的記錄，而時間之矢反映的正是這份記錄只會增長這一事實。

未來之所以不同于過去，是因為宇宙中關(guān)于過去的信息，總會多于它所能擁有的關(guān)于未來的信息。這就解釋了為什么時間具有方向，而無需依賴特殊的、低熵的初始條件或純粹的統(tǒng)計論證。只要相互作用不斷發(fā)生、信息被不可逆地記錄下來，時間就會向前推進。

有意思的是，這種累積的信息印記或許會帶來可觀測的后果。在星系尺度上，殘留的信息印記會表現(xiàn)得像一個額外的引力分量，在不引入新粒子的情況下塑造星系的旋轉(zhuǎn)。事實上，所謂“暗物質(zhì)”這一未知物質(zhì)之所以被提出，正是為了解釋：星系及星系團的旋轉(zhuǎn)速度比僅靠可見物質(zhì)的質(zhì)量所能允許的更快。

在信息圖景中，這種額外引力并非來自不可見的暗物質(zhì)，而是來自這樣一個事實：時空本身記錄了漫長的相互作用歷史。累積了更多信息印記的區(qū)域，對運動與曲率的響應更強，從而有效增強其引力。恒星繞行更快，并不是因為有更多質(zhì)量存在，而是因為它們穿行的時空攜帶著更“沉重”的、關(guān)于過去相互作用的信息記憶。

從這一觀點出發(fā)，暗物質(zhì)、暗能量以及時間之矢，或許都源自同一個更深層過程：信息的不可逆累積。

測試時間

但我們真的能檢驗這一理論嗎？對時間的探討常被評價為“哲學而非科學”。由于時間與我們描述變化的方式緊緊交織在一起，所以我們很容易以為任何重新思考時間的嘗試都只能停留在抽象層面。然而，信息論路徑能給出具體預測，并直接關(guān)聯(lián)到我們可以觀察、建模、并在某些情況下進行實驗探測的系統(tǒng)。

黑洞提供了一個天然試驗場，因為它們似乎暗示信息被抹除了。在信息框架下，這一沖突可通過這樣的認識來化解：信息并未被摧毀，而是在越過視界之前就已被印刻進時空之中——黑洞把它記錄了下來。

這對時間有重要含義。當物質(zhì)向黑洞墜落時，相互作用會增強，信息的印刻也會加速。由于信息仍在持續(xù)被寫入，時間在局部仍會繼續(xù)向前推進——即便在視界附近，經(jīng)典意義上的空間與時間概念開始失效，并且對遠處的觀察者而言，那里的過程似乎會變慢，甚至像是凍結(jié)。

當黑洞通過霍金輻射蒸發(fā)時，累積的信息記錄并不會消失；相反，它會影響輻射的發(fā)射方式。輻射應當攜帶一些微妙跡象，反映黑洞的歷史。換句話說，向外的輻射并非完全隨機；它的結(jié)構(gòu)會被先前記錄在時空中的信息所塑形。探測這些跡象仍超出現(xiàn)有技術(shù)，但它們?yōu)槲磥淼睦碚撆c觀測工作提供了一個明確目標。

同樣的原理也可以在更小、更可控的系統(tǒng)中探索。在量子計算機的實驗室實驗中，量子比特可以被視為有限容量的信息單元，就像時空單元格一樣。已經(jīng)有物理學家展示：即便基礎的量子方程是可逆的，信息被寫入、擴散與檢索的方式也能在實驗室里生成一種“有效的時間之矢”。這些實驗讓物理學家能夠在不依賴宇宙學或天體物理系統(tǒng)的情況下，測試信息存儲限制如何影響可逆性。

對同一框架的擴展還表明：信息印刻并不局限于引力，它可能在自然界所有基本力中發(fā)揮作用，包括電磁力與核力。如果果真如此，那么時間之矢最終應當可以追溯到所有相互作用記錄信息的方式，而不僅僅是引力相互作用。要檢驗這一點，就需要在不同物理過程中尋找可逆性或信息恢復的極限。

綜合來看，這些例子表明，“信息時間”并不是一種抽象的重新詮釋：它用同一種物理機制把黑洞、量子實驗與基本相互作用聯(lián)結(jié)起來；隨著實驗范圍不斷擴大，這種機制可以被探索、被約束，并且在原則上可能被證偽。

時間到底是什么

關(guān)于信息的這些想法并不會取代相對論或量子力學。在日常情況下，信息時間與時鐘測得的時間高度一致。對絕大多數(shù)實際用途而言，我們熟悉的時間圖景運作得極好。差異會出現(xiàn)在傳統(tǒng)描述本就捉襟見肘的那些情形中。

在黑洞視界附近，或在宇宙最初的時刻，把時間視為光滑的外在坐標的常規(guī)觀念會變得含糊不清；相反，只要相互作用仍在發(fā)生、信息仍被不可逆地記錄，信息時間就依然有良好定義。

這一切或許會讓你開始追問：時間究竟是什么。這樣的轉(zhuǎn)變也重新界定了那場由來已久的爭論：問題不再是時間是否必須被預設為宇宙的基本成分，而是它是否其實反映了一個更深層的潛在過程。

在這種視角下，時間之矢可以從那些記錄信息且無法被“撤銷”的物理相互作用中自然涌現(xiàn)。于是，時間不再是一個超然于物理學之外的神秘背景參數(shù)；它是宇宙通過自身動力學在內(nèi)部持續(xù)生成的東西。時間最終或許并非現(xiàn)實的基本組成，而是由更基本的成分——例如信息——所涌現(xiàn)。

這一框架究竟會成為最終答案，還是通往更深理論的一塊墊腳石，仍有待觀察。與基礎物理學中的許多思想一樣，它的成敗取決于它能在多大程度上把理論與觀測連接起來。但它已經(jīng)指向了一種令人矚目的視角轉(zhuǎn)變：宇宙并不只是存在于時間之中；時間是宇宙不斷寫入自身的東西。

#創(chuàng)作團隊：

原文：Florian NeuKart

#參考來源：

https://theconversation.com/is-time-a-fundamental-part-of-reality-a-quiet-revolution-in-physics-suggests-not-273841

https://www.mdpi.com/2218-1997/12/1/2

https://doi.org/10.1016/j.aop.2025.170044

#圖片來源：

封面圖&首圖：Iffany / Pixabay