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據(jù)說有人曾問奧古斯丁“時(shí)間是什么”，奧古斯丁這般答道：“你不問我，我本來很清楚地知道它是什么；你問我，我倒覺得茫然了。”如今一千多年過去了，人們對(duì)這個(gè)問題的研究獲得了怎樣的進(jìn)展呢？

請(qǐng)將下列語句排列成一個(gè)合乎情理的人生故事：一個(gè)人死了，然后他結(jié)婚了，最后他誕生了——好在我們有天生的時(shí)間感，做這種問題完全是手到擒來：欲入墳冢，先出子宮，從未有過其它情況。

不過，在基礎(chǔ)層面上，時(shí)間之源仍然是一個(gè)謎。新澤西普林斯頓高等研究所（Institute of Advanced Studies, IAS）的一名物理學(xué)家，尼瑪·阿卡尼·哈姆德（Nima Arkani Hamed）說：“它是科學(xué)前沿最深刻的問題之一，當(dāng)我們問起：‘時(shí)間是什么？它來自何處？’時(shí)，我們都不清楚這些問題是不是有意義。我們很難說明白一個(gè)沒有時(shí)間的世界、或一個(gè)沒有時(shí)間的物理學(xué)意味著什么。”

盡管除去時(shí)間會(huì)讓人困惑不已，但越來越多的證據(jù)表明，在實(shí)在（存在）的最基本的層面上，時(shí)間只是一個(gè)幻象。更奇怪的是，激光實(shí)驗(yàn)測(cè)試和弦論（一個(gè)認(rèn)為粒子是由細(xì)小的能量纖維組成的理論框架）的進(jìn)展都不約而同地指向一條思路：時(shí)間并不存在。

一個(gè)世紀(jì)多點(diǎn)前，我們認(rèn)識(shí)中的時(shí)間與空間圖景遠(yuǎn)沒有這么復(fù)雜。物理學(xué)家愉快地在一個(gè)固定的三維空間背景下追蹤物體的運(yùn)動(dòng)，并用一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘（上帝之秒表）來標(biāo)記它們運(yùn)動(dòng)的快慢。人們認(rèn)為，不論身處宇宙何處，上帝之表都以相同的速度滴答走秒。但到了20世紀(jì)初，兩大物理革命撼動(dòng)了這種觀念。

第一場(chǎng)革命，是愛因斯坦的相對(duì)論將時(shí)間與空間編織成了隨動(dòng)的四維結(jié)構(gòu)。愛因斯坦將這種結(jié)構(gòu)稱為“時(shí)空”，它能依隨周圍大質(zhì)量的物體而變形，產(chǎn)生彎曲。質(zhì)量小的物體則會(huì)沿著這些彎曲“滾向”大質(zhì)量物體，這讓宇宙產(chǎn)生了一種稱為“引力”的作用力。在這一新的宇宙論中，時(shí)間不再是千年旁觀者，而成為與空間相融合、相聯(lián)系的一個(gè)維度。時(shí)間維和那些毫不含糊、可以測(cè)定的不同，它現(xiàn)在變成相對(duì)的了。相對(duì)論說明，時(shí)鐘的快慢取決于物體穿過空間的運(yùn)動(dòng)快慢以及它們靠近通過引力牽引它們的大質(zhì)量物體的程度。

撼動(dòng)我們對(duì)時(shí)間認(rèn)識(shí)的第二大發(fā)展是量子力學(xué)。它是運(yùn)用于亞原子領(lǐng)域的物理學(xué)。量子力學(xué)顯示，在最微觀的尺度下，事物的實(shí)質(zhì)與存在變得很奇怪。比如，兩個(gè)粒子可以以某種方式“糾纏”起來，這樣它們就總會(huì)同時(shí)運(yùn)動(dòng)和變化。對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)會(huì)立即影響到另一個(gè)，且不論兩者距離多遠(yuǎn)都是如此。換言之，相距甚遠(yuǎn)的粒子對(duì)能夠即時(shí)“交流”，這明顯與“任何物體都不能超光速運(yùn)動(dòng)”及時(shí)間本身的概念相左。

但隨著這一問題越來越多地為人所知，真正的“時(shí)間問題”在上世紀(jì)60年代產(chǎn)生了。當(dāng)時(shí)物理學(xué)家為結(jié)合上面兩大理論框架而焦頭爛額——它們各自在其適用范圍內(nèi)成功地描述了宇宙：一個(gè)是在極小尺度下，一個(gè)則是在大尺度下。向著一個(gè)囊括一切的“萬有理論”（一套規(guī)范各種尺度下物質(zhì)的規(guī)則）的探索啟程了。其中最知名、但也飽受爭(zhēng)議的假說是有兩位新澤西的物理學(xué)家提出的，他們是普林斯頓大學(xué)的約翰·惠勒（John Wheeler）和IAS的布萊斯·德維特（Bryce DeWitt）。惠勒和德維特試著用量子力學(xué)來描述整個(gè)宇宙——即，他們將適用于小尺度物質(zhì)的理論應(yīng)用到大尺度的行星、星系以及其它宇宙結(jié)構(gòu)上。很多人對(duì)于惠勒他們的方式是否可行都表示質(zhì)疑。意大利都靈的意大利國(guó)家計(jì)量院（Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, INRIM）的量子物理學(xué)家馬可·吉諾維斯（Marco Genovese）稱，這是因?yàn)闆]有跡象表明量子定律能夠延伸到宇宙范圍中。不過試著聯(lián)合兩大理論的數(shù)學(xué)表述，看看結(jié)果如何的做法起碼還是合乎邏輯的。

二人將愛因斯坦的相對(duì)論方程與量子力學(xué)理論結(jié)合后，他們都驚呆了。兩套法則本都獨(dú)立地將時(shí)間視為表征事件的一個(gè)變量，但在將二者結(jié)合后，時(shí)間因子在數(shù)學(xué)方程中被完全抵消。兩套方程得出了一套描述宇宙行為的新方程，不過此時(shí)在其數(shù)學(xué)表述中，已經(jīng)沒有哪個(gè)量可以標(biāo)志變化或時(shí)間流逝了。吉諾維斯說：“惠勒-德維特方程表明，宇宙是靜態(tài)的，沒有任何東西在演化。不過呢，我們也當(dāng)然都感覺得到時(shí)間與變化。”

宇宙從未變化的結(jié)論明顯是錯(cuò)的。但物理學(xué)家在惠勒和德維特的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中卻找不到任何錯(cuò)誤。起先，人們認(rèn)為二人的錯(cuò)誤似乎是在于認(rèn)為整個(gè)宇宙都可以用量子的方式加以描述。不過我們還有另一種有意思的可能性，它是上世紀(jì)80年代由物理學(xué)家唐·佩奇（Don Page，現(xiàn)在在加拿大埃德蒙頓的亞伯達(dá)大學(xué)）和威廉·沃特斯（William Wooters，在馬塞諸塞州威廉姆斯鎮(zhèn)的威廉姆斯學(xué)院）提出的。

佩奇和沃特斯決定采用一個(gè)頗有爭(zhēng)議的觀點(diǎn)：宇宙整體可以看成是一個(gè)巨大的量子對(duì)象，服從于電子、質(zhì)子和其它亞原子世界中的微小粒子所遵循的物理規(guī)律。他們?cè)O(shè)想將宇宙分為兩大塊，按照量子力學(xué)定律，這兩塊是相互糾纏的。科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)糾纏中的粒子具有相同但相反的值。例如，如果一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，那么另一個(gè)就是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這樣，相加起來整體的這一性質(zhì)就抵消了。佩沃二人稱，按類似的思路，分開的每塊宇宙將獨(dú)立地演化，但因?yàn)樗鼈兪窍嗉m纏的，一塊中的變化會(huì)被另一個(gè)塊中的變化中和。對(duì)在其中一塊中的某人來說，時(shí)間在流逝，但對(duì)于一個(gè)宇宙之外的觀察者來說，整個(gè)宇宙是靜態(tài)的。

盡管佩沃二人基于量子糾纏提出了一個(gè)讓宇宙在一個(gè)從宇宙外部向內(nèi)窺視的人認(rèn)為宇宙是靜態(tài)的理論圖景，但卻似乎沒法證實(shí)或證偽他們的想法。不過，到了2013年，吉諾維斯和他的同事進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，至少在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了制造一個(gè)這種宇宙的小型模型的可能。他們僅用了激光器產(chǎn)生的兩個(gè)光粒子（光子）。實(shí)驗(yàn)的目的，是證明可以發(fā)生某種情形，讓一個(gè)量子體系在從外部看時(shí)處于不變、而從內(nèi)部看時(shí)卻在演化。

在實(shí)驗(yàn)中，吉諾維斯檢測(cè)光子的偏振，即光子振動(dòng)的方向。如果讓一個(gè)偏振粒子以一勻速旋轉(zhuǎn)，那么它在任何時(shí)刻的指向就能像時(shí)鐘的秒針那樣用來標(biāo)記時(shí)間間隔了。他的團(tuán)隊(duì)讓兩個(gè)光子發(fā)生糾纏，使它們的偏振處于相對(duì)的模式。比如，如果一個(gè)的方向是上下振動(dòng)，另一個(gè)就是左右振動(dòng)。

該團(tuán)隊(duì)讓光子穿過石英片，使之偏振發(fā)生旋轉(zhuǎn)，讓光子“秒針”運(yùn)動(dòng)起來。轉(zhuǎn)動(dòng)量與穿越晶片所用的實(shí)際時(shí)間有關(guān)，這給了物理學(xué)家一種測(cè)定時(shí)間經(jīng)過的方法。他們多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每次都在一個(gè)不同的時(shí)刻終止，然后測(cè)量其中一個(gè)光子的偏振。吉諾維斯說：“在測(cè)量第一個(gè)光子鐘時(shí)，我們也與它發(fā)生的糾纏。也就是說，我們變成了那個(gè)小宇宙的一部分，并且能夠通過相比我們的光子鐘而記錄另一個(gè)光子的變化。”這樣，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)，在測(cè)量某光子的對(duì)子時(shí)，該光子會(huì)發(fā)生變化。同理，沃特斯和佩奇相信，如果測(cè)量宇宙的另一部分，那么這部分的宇宙看上去就在演化。

不過，吉諾維斯仍需證明假設(shè)的另一部分：如果從外部檢測(cè)作為一個(gè)整體的糾纏體系，它應(yīng)該是靜態(tài)的。在這一部分的實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)采用了宇宙外“超然觀察者”的視角。這個(gè)外部的觀察者不能查看任何一個(gè)光子單獨(dú)的狀態(tài)，因?yàn)檫@樣就會(huì)讓他也與之糾纏，而變成內(nèi)部觀察者。反過來說，這個(gè)觀察者只能測(cè)量光子對(duì)的結(jié)合態(tài)。團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次測(cè)試，每次在不同的時(shí)刻終止。他們將兩個(gè)光子視為一個(gè)結(jié)合的整體，測(cè)量它們的聯(lián)合偏振。每次實(shí)驗(yàn)他們都確保兩個(gè)糾纏光子以相同程度偏振，但方式相左。不論實(shí)驗(yàn)時(shí)間經(jīng)歷多長(zhǎng)，兩個(gè)光子總是保持完全相同的“抱團(tuán)”。從外部看，這個(gè)迷你宇宙是靜態(tài)的，并且完全不發(fā)生變化。它表明，如果時(shí)間是量子糾纏的產(chǎn)物，那么惠勒和德維特發(fā)現(xiàn)的所謂的“時(shí)間問題”就迎刃而解了。

在過去的幾十年中，弦論也表現(xiàn)出支持時(shí)間本質(zhì)虛幻這一點(diǎn)的。弦論于上世紀(jì)60年代開始發(fā)展，用于描述將原子內(nèi)的基本粒子束縛在一起的強(qiáng)核力。在物理學(xué)家研究強(qiáng)作用力的過程中，他們冒出了一個(gè)想法，即當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是宇宙中最小物質(zhì)的亞原子粒子，實(shí)際上是由一些振動(dòng)的“細(xì)弦”組成的。

這一看待自然基本對(duì)象的新方式產(chǎn)生了影響深遠(yuǎn)的結(jié)果。人們發(fā)現(xiàn)弦論對(duì)那些像惠勒和德維特那樣希望結(jié)合廣義相對(duì)論與量子力學(xué)的人非常有用。人們需要這種統(tǒng)一的理論框架來解釋大爆炸后瞬間宇宙的樣子，此時(shí)所有的宇宙物質(zhì)都被擠壓在一個(gè)極小的體積內(nèi)。統(tǒng)一理論可以說出黑洞內(nèi)核處發(fā)生著什么。（黑洞是恒星坍縮的結(jié)果：恒星在引力作用下收縮，將其物質(zhì)壓入一個(gè)很小的中心中。）

在弦論出現(xiàn)前，物理學(xué)家在試圖聯(lián)立廣義相對(duì)論和量子力學(xué)時(shí)總是會(huì)遇到麻煩。聯(lián)立后的數(shù)學(xué)告訴他們，我們身邊空間中的無限小空間點(diǎn)內(nèi)包含著無限大的能量——這基本上就是說我們不管在哪，都被黑洞包圍，這顯然是錯(cuò)的。但是，弦論則認(rèn)為任何東西都不能小過弦，因而回避了這個(gè)問題。這是說，它的方程無需擔(dān)心小于這一基本下限的空間區(qū)域，這就消除了那些會(huì)得出無限能量及其它不可能結(jié)果的難纏的數(shù)學(xué)。有了弦論，超大尺度與極小尺度的物理看來就可以共存了——至少弦論一度是成功了的。

不過弦的大小又引出了關(guān)于空間實(shí)質(zhì)、隨之又引出時(shí)間實(shí)質(zhì)的新問題。這是因?yàn)橄艺撜J(rèn)為，不論如何精心地設(shè)計(jì)，都沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛳蛭覀冋故驹谛∮趩蝹€(gè)弦的尺度下發(fā)生著什么。IAS的弦論家內(nèi)森·塞伯格（Nathan Seiberg）解釋說：“‘在小距離內(nèi)發(fā)生著什么’是一個(gè)錯(cuò)誤定義的觀念——那里空間也許存在，但我們無法測(cè)量它；也許那里根本就沒有可以測(cè)量的東西。”這意味著在某個(gè)極限下，空間也許不存在。因?yàn)閻垡蛩固挂呀?jīng)在他的相對(duì)論中表示過，時(shí)間不過是和空間類似的另一個(gè)維度，那么“如果空間概念在小間隔內(nèi)變得曖昧，那么時(shí)間也會(huì)如此，”塞伯格如是說道，“人們經(jīng)常會(huì)問：‘大爆炸前都發(fā)生了什么？’但我們看到的是，在宇宙創(chuàng)生之時(shí)，時(shí)間才開始有意義。”

塞伯格指出，這種模糊性讓弦論家隱隱感覺時(shí)間在基本層面上也許不存在，而我們對(duì)時(shí)間的感覺可能是由一些隱含的“基建材料”構(gòu)成的，就像溫度是來自一群原子的運(yùn)動(dòng)那樣。一個(gè)單獨(dú)的原子并不具有一個(gè)溫度，熱和冷的概念只在你測(cè)量大量原子的平均速度時(shí)才有意義：速度快的粒子團(tuán)比慢的具有更高的速度。類似地，也許存在某種基本“顆粒”，共同讓我們產(chǎn)生了時(shí)間體驗(yàn)。但至于這種顆粒可能是什么，呃，塞伯格如是說：“那就是‘六萬四千美金問題’了。”

更奇怪的是，弦論后續(xù)的發(fā)展顯示，時(shí)間之種播撒在實(shí)在（存在）的最邊緣。這一思想的根源來自于一個(gè)奇特的假想的宇宙模型。這個(gè)模型是上世紀(jì)90年代末由弦論家胡安·馬爾達(dá)西那（Juan Maldacena，當(dāng)時(shí)在哈佛大學(xué)）提出的。他是在尋找一個(gè)可以聯(lián)結(jié)量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)關(guān)系，他認(rèn)為可以運(yùn)用弦論來達(dá)到這一目的。

馬爾達(dá)西那設(shè)想的宇宙形似一個(gè)罐頭，不過它的邊界設(shè)在無窮遠(yuǎn)處。罐內(nèi)的是弦和黑洞，其行為受引力控制；罐面放置的是一般的亞原子粒子，它們通過量子力學(xué)定律而相互作用。盡管馬爾達(dá)西那的罐頭宇宙聽上去和我們的不太一樣，但它讓他直觀地看出最深層的自然律是如何聯(lián)系在一起的。

在這一模型中，廣義相對(duì)論支配著罐內(nèi)巨大的三維空間，而量子力學(xué)則控制著二維表面上排列的粒子。馬爾達(dá)西那的看法是，兩套定律在某種方式下是等效的，罐內(nèi)展開的引力事件可以對(duì)應(yīng)表面上的量子過程，后者就像前者投射到罐面的影子一樣。利用這一數(shù)學(xué)模型，馬爾達(dá)西那確實(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)表面的每個(gè)量子過程，在罐內(nèi)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的事件。馬爾達(dá)西那等人發(fā)展的理論模型表明，糾纏在罐面的量子粒子可以通過在內(nèi)部空間制造通道，或稱“蟲洞”，來改變它們的模式。這就說明了糾纏本身是產(chǎn)生空間和時(shí)間性質(zhì)的基本宇宙過程。

空間和時(shí)間都是由量子糾纏產(chǎn)生的這一想法，也獨(dú)立地由溫哥華的不列顛哥倫比亞大學(xué)的弦論家馬克·范·拉姆斯敦克（Mark van Raamsdonk）做出了改進(jìn)，他也研究了馬爾達(dá)西那的罐頭模型。他借助一個(gè)數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，如果逐漸削弱罐面粒子間的糾纏，那么罐內(nèi)的時(shí)空結(jié)構(gòu)也會(huì)開始退聯(lián)結(jié)。這意味著量子糾纏以某種方式扮演了讓空間和時(shí)間之線交織在一起的角色。沒有它，時(shí)空結(jié)構(gòu)就會(huì)不復(fù)存在。

馬爾達(dá)西那的模型為“涉及到宇宙組分時(shí)，糾纏比空間和時(shí)間更基本”的論述提供了前所未有的支撐。它表明，時(shí)間不是出現(xiàn)在實(shí)在的最基層，而是生發(fā)于其中。但盡管物理學(xué)越來越多地顯露出時(shí)間是一場(chǎng)幻覺，將時(shí)間變化出來的作用力卻仍舊無從知曉。塞伯格說：“我的直覺是，我們需要的不只是將量子物理重做一遍，更需要一個(gè)乍一看完全荒誕不經(jīng)的突破。只有時(shí)間才能告訴我們會(huì)發(fā)生怎樣的變革。”

——齊亞·梅拉里（Zeeya Merali）

譯注：

   [1] “六萬四千美金問題”：是美國(guó)1955-1958年間的一檔電視問答競(jìng)賽類節(jié)目。參考英文維基百科。

   [2] 基礎(chǔ)問題研究所：是美國(guó)的一個(gè)以支持、宣傳物理學(xué)和宇宙學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)及前沿問題研究的組織。詳情可參見其官方網(wǎng)站。