時間是何物？
原作：亞當?弗蘭克
翻譯：教授翻譯fking86（觀察網特約翻譯）
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本文摘自《物理世界》25周年刊，探討了由該雜誌編輯推選的物理學五大懸疑之一。
科學家和哲學家數百年就時間的本質爭論不休，儘管有一些進展，亞當?弗蘭克（Adam Frank）卻認為謎底似乎永無揭開之日。
時間是何物？
時間是最古老的難題之一，而且，我們的生命有限，因此時間的問題就成為和我們個人最息息相關、最迫切想了解、最「深奧」的現實之謎。自牛頓以來的物理學家們有時候直接插足一度屬於哲學領域的關於時間的問題。但是，物理科學雖然是關於整個物理世界的，卻也就時間及其結構和根本的問題提出了自身的新觀點（和悖論）。結果，我們的科學體系中關於時間可就不止是一個問題了。相反，諸多問題相互交織，可能需要不止一個觀念的革命才能解決。
在西方思想體系中，關於時間的爭論有兩個極端派別，源於約公元前5世紀的兩名希臘哲學家，巴門尼德（Parmenides）和赫拉克利特（Heraclitus）。巴門尼德創立的學派稱，作為衡量變化的時間是一種幻覺，現實從根本上講是無所謂時間的、是永恆的。對立的赫拉克利特和他的追隨者們稱，時間之外別無它物，無情推進的變化是現實唯一不變的特徵。物理學關於時間基本性質的論戰並沒有突破這些古老派別的影響。即使在今天，你也會發現物理學家們不是屬於巴門尼德派就是屬於赫拉克利特派這兩個極端——介於兩個極端之間的各種觀點也應有盡有。
早期主張巴門尼德派和赫拉克利特派之間的「折中路線」的學者之一就是艾薩克?牛頓。牛頓力學的發展建立了現代科學探究的範式，並在某種意義上中和了古代兩派關於時間的觀點分歧。雖然牛頓動力學的微分方程把時間視為在整個宇宙中勻速流動的參數，這些方程所代表的定律本身卻是永恆的，存在於時間之外。牛頓之後，人們期望發現更多永恆的「自然法則」，這種期望成了一種魅惑的呼喚，為整個科學召喚靈感，在現代人類探索的模式中享有特殊的一席之地。
當然，人們發現牛頓的定律僅在小於光速和大於量子化單元時適用。但是，不管相對論和量子力學的興起如何顛覆了我們對牛頓宇宙的觀點，它們的發展至少沒有改變他關於現實的這一基本思想——物理定律超越時間存在。
在我們尋找永恆定律的過程中，物理學給了我們一些有關時間性的基本認識（以及一些未決的問題）。最為突出和懸而未決的就是著名的「時間之箭」。所有支配粒子動力學——粒子是最基本的物理對象——的確定定律都是時間可逆的。不論是牛頓的質點動力學方程還是薛定諤的波函數方程都無法告訴我們時鐘應該向哪個方向前進。然而，宏觀世界絕不容許這種模稜兩可。煎雞蛋也罷、把奶精攪拌進咖啡里也罷，都明確說明時間之箭從過去指向未來是現實的基本要素。
返回時間之初
作為物理原理，關於「時間之箭」的問題是用支配物理過程的動力（差分）方程語言來表述的。因此，希臘人不可能認識到這些。只是隨著熱力學（以及後來的統計力學）的發展才解決了這一難題，方法是求出和許多粒子的每一種宏觀態相關的微觀態的平均值。於是在宏觀世界裡有了一個新詞來替代時間——熵——一個和大型系統相關的新的量。
只是，熵的理論只不過推遲了時間之箭的問題。一旦熵（換句話說，無序的狀態）達到峰值，系統就達到平衡，基本上每個時刻都和下一個時刻類似——除了偶爾的波動。因此，物理學家們必須搖身一變成宇宙學家來發問，為什麼我們生活的宇宙的熵最初是那麼低，允許持續的進化乃至變化。宇宙始於大爆炸的發現意味著這個宇宙學的時間之箭必須追根溯源到宇宙初始條件的問題。但是，正如羅傑?彭羅斯（Roger Penrose）、肖恩?卡羅爾（Sean Carroll）和其他理論學家所主張的那樣，經典宇宙大爆炸理論框架里的低熵初始條件存在的可能性微乎其微。
宇宙初始條件的問題促使我們去找尋基本理論的最根本本質：量子引力。量子化廣義相對論中經典時空的努力在本期的其他地方有討論（見42-43頁），不過這類研究的一個重要結果就是不斷推動理論學家們勇創我們關於時間的觀念的前沿領域。例如，當你把薛定諤方程以適當的形式用於廣義相對論的時空時，得到的方程里居然沒有時間，想想這個令人頭疼的事吧。這個時間缺位的表達式被稱作惠勒-德威特方程（Wheeler-DeWitt equation），它呈現給我們一組宇宙的「宇宙學」量子態，這些狀態之間不可能有任何進化途徑。
惠勒-德威特方程是否意味著巴門尼德是正確的，時間不過是一種幻覺？解決這個問題還任重道遠，但許多從事量子引力研究的人認為，我們所熟悉的時間和空間不可能是最根本的東西。相反，他們堅持認為時間和空間肯定建立在某種更基本的東西之上——這種東西具有和我們通常的時空連續性概念大相徑庭的屬性。在現代理論的框架中，「真有時間嗎？」這個問題被改寫成了時間源於某一套更深層次的原理。
然而，對於其他研究人員，尋找量子引力的研究道路引起了令人不安的問題。例如，安德烈亞斯?阿爾布雷希特（Andreas Albrecht）就指出，把惠勒-德威特方程應用到我們所感知的受時間限制的世界裡導致了一個新的難題，他稱之為「時鐘歧義」。阿爾布雷希特證明，沒有簡單的方法來選擇新量子兼容理論的哪一部分來作為時鐘，哪一部分應該稱作「空間」。實際上，做出這樣的選擇就破壞了時間和空間的統一，並且，阿爾布雷希特還發現，任意選擇不同的部分作為時鐘可能導致數套完全不同的物理定律。
為時間的現實性辯護
李?斯莫林（Lee Smolin）更加尖銳地批評了目前的做法。他主張說，數百年盯著永恆定律不放就是個概念絆腳石。斯莫林的觀點是，追求永恆的定律來整體描述現實把基礎物理學逼進了死角，被迫去考慮「可能的」現實，類似多元宇宙論及其無限的、可能是不可觀察的其他多宇宙，而不是去考慮我們所感知到的這個宇宙。斯莫林還大膽地跨入赫拉克利特一派的領地，主張時間是現實的基石，不可能是突生的。根據這一主張，即使是物理定律也必須受制於時間，因此也可以發生變化。
物理學的前沿研究涵蓋了時間的各種可能的性質，涉及的可能性之多令人吃驚，一方面表明我們已經走了有多久，另一方面也說明我們還要走多久。時間業已證明它不是一朝一夕就能解開的物理學奧秘。我們不能指望解開這個謎，正如我們不應期望它會停止激發我們最具創造力的科學探索——至少目前是如此。
作者簡介
亞當?弗蘭克是美國紐約羅切斯特大學（University of Rochester）理論天體物理學家，電子郵件afrank@pas.rochester.edu
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