時(shí)間向前流逝，是因?yàn)樾畔⒌牟豢赡胬鄯e？

時(shí)間難題

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

現(xiàn)代物理學(xué)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(duì)論，它描述了像行星這樣的宏觀天體的引力作用及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律；另一個(gè)是支配了原子與粒子的微觀世界的量子力學(xué)；在更宏觀的尺度上，宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型描述了整個(gè)宇宙的誕生與演化。它們都離不開時(shí)間，卻又以彼此不相容的方式對(duì)待時(shí)間。

當(dāng)物理學(xué)家試圖把這些理論統(tǒng)一進(jìn)同一個(gè)框架時(shí)，時(shí)間常常以出人意料、甚至?xí)斐陕闊┑姆绞匠尸F(xiàn)：有時(shí)它會(huì)被拉伸；有時(shí)它會(huì)變慢；有時(shí)它甚至?xí)氐紫А?/p>

相對(duì)論是對(duì)我們?nèi)粘r(shí)間直覺的第一次重大打擊。它表明時(shí)間并非普適一致：時(shí)間流逝的快慢取決于引力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。兩個(gè)彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的觀察者，會(huì)對(duì)哪些事件是同時(shí)發(fā)生的產(chǎn)生分歧。于是，時(shí)間變成了一種“有彈性”的東西，與空間共同交織成了四維“時(shí)空”。

量子力學(xué)讓情況更加離奇。在量子理論中，時(shí)間并不是理論需解釋的對(duì)象，而是被直接預(yù)設(shè)的。量子力學(xué)方程描述系統(tǒng)如何“相對(duì)于時(shí)間”演化，但時(shí)間本身仍是一個(gè)外在參數(shù)——一個(gè)置于理論之外、作為背景存在的“時(shí)鐘”。

當(dāng)物理學(xué)家試圖在量子層面描述引力時(shí)，這種不匹配就會(huì)變得尤為尖銳。而“在量子層面描述引力”這一步對(duì)發(fā)展物理學(xué)家夢(mèng)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(shí)間作為一個(gè)參數(shù)竟會(huì)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(shí)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(xué)與粒子物理學(xué)已取得巨大進(jìn)展，但我們?nèi)詿o法清晰地解釋時(shí)間為何會(huì)流動(dòng)。

如今，一種相對(duì)較新的物理學(xué)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(xué)框架之上，該框架是由香農(nóng)（Claude Shannon）在20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的。

熵與時(shí)間之矢

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

這一思想影響極其深遠(yuǎn)。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(shí)間為何向前流動(dòng)。但熵并不能徹底解決時(shí)間問題。

首先，在最基礎(chǔ)的層面，量子力學(xué)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(jì)行為時(shí)，時(shí)間之矢才會(huì)顯現(xiàn)出來。這又引出了更深的一個(gè)問題：為什么宇宙起初會(huì)處在如此低熵的狀態(tài)？從統(tǒng)計(jì)學(xué)上說，一個(gè)宇宙擁有高熵狀態(tài)的方式比低熵多得多——就像讓一個(gè)房間變亂的方法遠(yuǎn)多于讓它保持整潔的方法。既然低熵在統(tǒng)計(jì)上如此“不太可能”，宇宙為什么偏偏從這樣一個(gè)罕見狀態(tài)開始呢？

信息革命

過去幾十年里，物理學(xué)界悄然發(fā)生了一場(chǎng)深遠(yuǎn)的革命。信息曾被當(dāng)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(xué)、量子力學(xué)與引力的交匯處，圍繞一系列難題而逐步浮現(xiàn)的：當(dāng)我們把信息僅僅當(dāng)作數(shù)學(xué)對(duì)象來處理時(shí)，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(xué)中。當(dāng)霍金（Stephen Hawking） 表明黑洞會(huì)輻射出熱輻射時(shí)，一個(gè)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(gè)結(jié)論與量子力學(xué)相沖突，因?yàn)?strong>量子力學(xué)要求信息必須完整保存。

為了解決這一矛盾，物理學(xué)家不得不面對(duì)一個(gè)更深層的事實(shí)：信息不是可有可無的“附加項(xiàng)”。如果我們要給出一個(gè)包含量子力學(xué)在內(nèi)的、對(duì)宇宙的完整描述，信息就不能“說沒就沒”，否則就會(huì)動(dòng)搖物理學(xué)的根基。這一認(rèn)知帶來了深遠(yuǎn)的后果：人們逐漸清楚，信息具有熱力學(xué)代價(jià)——抹除信息會(huì)耗散能量，而存儲(chǔ)信息則需要物理資源。

與此同時(shí)，引力與熱力學(xué)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(xué)原理中推導(dǎo)出來，而這些原理把時(shí)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(xué)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(yīng)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(gè)粒子并沒有溫度。溫度并不是一種基本屬性；它只會(huì)在大量分子共同運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jì)過程涌現(xiàn)的現(xiàn)象。一些物理學(xué)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(diǎn)促使我們進(jìn)行一次激進(jìn)的視角轉(zhuǎn)變：與其把時(shí)空視為第一性的、把信息當(dāng)作“存在于時(shí)空內(nèi)部”的東西，信息或許才是更基本的成分，時(shí)空本身反而可能由信息涌現(xiàn)而來。基于這一路線，萊頓大學(xué)的物理學(xué)家Florian Neukart探索了一個(gè)框架：時(shí)空本身充當(dāng)信息的存儲(chǔ)介質(zhì)——而這會(huì)對(duì)我們?nèi)绾卫斫鈺r(shí)間產(chǎn)生重要影響。

在這種方法中，時(shí)空并非如相對(duì)論所暗示的那樣完全光滑，而是由離散的單元組成；每個(gè)單元記錄穿行其中的粒子與場(chǎng)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(jì)算機(jī)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(gè)有用方式，是把時(shí)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(huì)“保存”過去形成的缺陷，這些微觀時(shí)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(xué)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)是在這層結(jié)構(gòu)之上運(yùn)作，而不是用來解釋這層結(jié)構(gòu)的。

這帶來一個(gè)重要推論：如果時(shí)空會(huì)記錄信息，那么它此刻的狀態(tài)不僅反映當(dāng)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(huì)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(diǎn)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(huì)記住。

一個(gè)會(huì)記錄的宇宙

這種“記憶”并非隱喻。每一次物理相互作用都會(huì)留下信息痕跡。盡管量子力學(xué)的基本方程可以在時(shí)間上向前或向后運(yùn)行，但真實(shí)的相互作用卻從不會(huì)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(kuò)散到更廣闊的環(huán)境中，要把它恢復(fù)，就不僅需要“撤銷”某個(gè)單一事件，還必須撤銷它沿途造成的每一次物理改變。在實(shí)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(huì)重新拼合的原因。但其中更為深遠(yuǎn)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(huì)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(shí)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(yuǎn)區(qū)域的粒子聯(lián)系在一起，使它們即便相隔甚遠(yuǎn)也能共享信息。而這些信息性的聯(lián)結(jié)，會(huì)對(duì)物質(zhì)與輻射所經(jīng)歷的“有效幾何”作出貢獻(xiàn)。

從這一角度看，時(shí)空幾何不僅是對(duì)某一時(shí)刻“存在什么”的回應(yīng)，也會(huì)回應(yīng)“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(qiáng)的時(shí)空彎曲（也就是更強(qiáng)的引力效應(yīng)）；而記錄較少相互作用的區(qū)域則相對(duì)較弱。

這種重塑會(huì)微妙地改變時(shí)空的角色。時(shí)空不再只是事件展開的中立舞臺(tái)，而是一個(gè)積極的參與者：它存儲(chǔ)信息，約束未來的動(dòng)力學(xué)過程，并塑造新的相互作用如何發(fā)生。于是，一個(gè)更深的問題自然浮現(xiàn)：如果時(shí)空會(huì)記錄信息，那么時(shí)間是否可能并非一開始就被當(dāng)作前提“假設(shè)進(jìn)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(shí)間

最近，Neukart把這一信息視角進(jìn)一步擴(kuò)展到時(shí)間本身。他不再把時(shí)間視為一個(gè)基本的背景參數(shù)，而是表明：時(shí)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(diǎn)中，時(shí)間不是被人為地加進(jìn)物理學(xué)的東西。它之所以出現(xiàn)，是因?yàn)樾畔?huì)在物理過程中被寫入，并且在已知的熱力學(xué)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(gè)想法很簡(jiǎn)潔，卻意義深遠(yuǎn)。

每一次相互作用——例如兩個(gè)粒子的碰撞——都會(huì)把信息寫入宇宙。這些印記會(huì)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(shí)間的任何一個(gè)方向，但信息擴(kuò)散的過程卻有。一旦信息擴(kuò)散開來，就沒有一條物理路徑能回到信息仍然局域、尚未擴(kuò)散的狀態(tài)。因此，時(shí)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(shí)間并非獨(dú)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(huì)增加一條新的記錄，而時(shí)間之矢反映的正是這份記錄只會(huì)增長(zhǎng)這一事實(shí)。

未來之所以不同于過去，是因?yàn)橛钪嬷嘘P(guān)于過去的信息，總會(huì)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(shí)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(jì)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(shí)間就會(huì)向前推進(jìn)。

有意思的是，這種累積的信息印記或許會(huì)帶來可觀測(cè)的后果。在星系尺度上，殘留的信息印記會(huì)表現(xiàn)得像一個(gè)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(shí)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(tuán)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(gè)事實(shí)：時(shí)空本身記錄了漫長(zhǎng)的相互作用歷史。累積了更多信息印記的區(qū)域，對(duì)運(yùn)動(dòng)與曲率的響應(yīng)更強(qiáng)，從而有效增強(qiáng)其引力。恒星繞行更快，并不是因?yàn)橛懈噘|(zhì)量存在，而是因?yàn)樗鼈兇┬械臅r(shí)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(diǎn)出發(fā)，暗物質(zhì)、暗能量以及時(shí)間之矢，或許都源自同一個(gè)更深層過程：信息的不可逆累積。

測(cè)試時(shí)間

但我們真的能檢驗(yàn)這一理論嗎？對(duì)時(shí)間的探討常被評(píng)價(jià)為“哲學(xué)而非科學(xué)”。由于時(shí)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(shí)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(yù)測(cè)，并直接關(guān)聯(lián)到我們可以觀察、建模、并在某些情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探測(cè)的系統(tǒng)。

黑洞提供了一個(gè)天然試驗(yàn)場(chǎng)，因?yàn)樗鼈兯坪醢凳拘畔⒈荒ǔ恕Ｔ谛畔⒖蚣芟拢@一沖突可通過這樣的認(rèn)識(shí)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(jìn)時(shí)空之中——黑洞把它記錄了下來。

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

當(dāng)黑洞通過霍金輻射蒸發(fā)時(shí)，累積的信息記錄并不會(huì)消失；相反，它會(huì)影響輻射的發(fā)射方式。輻射應(yīng)當(dāng)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(jī)；它的結(jié)構(gòu)會(huì)被先前記錄在時(shí)空中的信息所塑形。探測(cè)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(cè)工作提供了一個(gè)明確目標(biāo)。

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(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，量子比特可以被視為有限容量的信息單元，就像時(shí)空單元格一樣。已經(jīng)有物理學(xué)家展示：即便基礎(chǔ)的量子方程是可逆的，信息被寫入、擴(kuò)散與檢索的方式也能在實(shí)驗(yàn)室里生成一種“有效的時(shí)間之矢”。這些實(shí)驗(yàn)讓物理學(xué)家能夠在不依賴宇宙學(xué)或天體物理系統(tǒng)的情況下，測(cè)試信息存儲(chǔ)限制如何影響可逆性。

對(duì)同一框架的擴(kuò)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(shí)間之矢最終應(yīng)當(dāng)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(yàn)這一點(diǎn)，就需要在不同物理過程中尋找可逆性或信息恢復(fù)的極限。

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

時(shí)間到底是什么

關(guān)于信息的這些想法并不會(huì)取代相對(duì)論或量子力學(xué)。在日常情況下，信息時(shí)間與時(shí)鐘測(cè)得的時(shí)間高度一致。對(duì)絕大多數(shù)實(shí)際用途而言，我們熟悉的時(shí)間圖景運(yùn)作得極好。差異會(huì)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(shí)刻，把時(shí)間視為光滑的外在坐標(biāo)的常規(guī)觀念會(huì)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(shí)間就依然有良好定義。

這一切或許會(huì)讓你開始追問：時(shí)間究竟是什么。這樣的轉(zhuǎn)變也重新界定了那場(chǎng)由來已久的爭(zhēng)論：?jiǎn)栴}不再是時(shí)間是否必須被預(yù)設(shè)為宇宙的基本成分，而是它是否其實(shí)反映了一個(gè)更深層的潛在過程。

在這種視角下，時(shí)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(shí)間不再是一個(gè)超然于物理學(xué)之外的神秘背景參數(shù)；它是宇宙通過自身動(dòng)力學(xué)在內(nèi)部持續(xù)生成的東西。時(shí)間最終或許并非現(xiàn)實(shí)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(huì)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(chǔ)物理學(xué)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(cè)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(shí)間之中；時(shí)間是宇宙不斷寫入自身的東西。

#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

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