P人们常常认为时间是一条河流，是一条自由流淌的小溪，它把我们从出生的光辉灿烂的早晨带到暮年的金色黄昏。它是将春天娇嫩的蓓蕾和夏天茂盛的花朵分开的跨度。
物理学家从更实际的角度来考虑时间。对他们来说，时间是衡量变化的一种手段——无穷无尽的一系列瞬间，像珠子一样串连在一起，把不确定的未来变成现在，把现在变成确定的过去。正是时间的概念让研究人员能够计算彗星什么时候会绕太阳转，或者信号如何穿过硅片。时间的每一步都让我们得以一窥自然界无数现象的演变。
换句话说，时间是一种工具。事实上，它是第一个科学工具。现在时间可以被切成十万亿分之一秒那么细的薄片。但是什么正在被切割?与质量和距离不同，我们的物理感官无法感知时间。我们看不到、听不到、闻不到、摸不到或尝不到时间。但我们还是测量了它。当一批理论家试图扩展和完善广义相对论，即爱因斯坦的重要万有引力定律时，他们遇到了时间问题。一个大问题。
“这是一场危机，”加州大学河滨分校的数学家John Baez说，“解决方案可能会把物理学带向一个新的方向。”而不是我们日常生活中的物理现象。秒表、钟摆和氢脉泽时钟将继续在我们这个低能量的地球环境中很好地跟踪大自然。当物理学家试图将宏观宇宙(最大规模的宇宙)与亚原子粒子的微观宇宙合并时，危机就出现了。
在牛顿时代，时间是特别的。每一分钟都由一个与正在研究的现象分开的通用时钟记录。在广义相对论中，这不再是正确的。爱因斯坦宣称时间不是绝对的——没有特定的时钟是特殊的——他描述引力如何工作的方程也考虑到了这一点。他的万有引力定律看起来是一样的，不管你用的是什么表。“在广义相对论中，时间是完全任意的，”伦敦帝国理工学院的理论物理学家克里斯托弗·伊沙姆解释说。“从广义相对论中得出的实际物理预测并不取决于你对时钟的选择。”无论你是使用接近光速的时钟，还是安静地坐在家里的架子上，预测都是一样的。
然而，在物理学的其他领域，尤其是量子力学，时钟的选择仍然至关重要。它在Erwin Schrödinger 1926年著名的波动方程中起着核心作用。这个方程式显示了一个亚原子粒子，无论它是单独运动还是围绕一个原子运动，都可以被认为是波的集合，一个波包在空间中的点到点和时间中的点到点移动。
根据量子力学的观点，能量和物质被切割成离散的比特，称为量子，其运动是跳跃和模糊的。他们疯狂的波动。这些粒子的行为无法像火箭的轨道那样精确地计算出来。使用Schrödinger的波动方程，你只能计算一个粒子——一个波包——达到某个位置或速度的概率。这是一幅与经典物理学世界截然不同的图景，甚至连爱因斯坦都谴责它的不确定性。他宣称他绝不相信上帝会和这个世界玩骰子。
我们看不到、听不到、闻不到、摸不到或尝不到时间。但我们还是测量了它。
你可能会说，量子力学把模糊性引入了物理学:你可以精确地指出一个粒子的精确位置，但这是有代价的;它的速度无法很好地测量。相反，如果你知道一个粒子运动的速度，你就不可能知道它的确切位置。维尔纳·海森堡用他著名的测不准原理最好地概括了这种奇怪而奇异的情况。但所有这些行动，尽管是不确定的，却发生在一个固定的空间和时间舞台上，一个固定的竞技场。一个可靠的时钟总是存在的，真的，总是需要的，来跟踪系统的运行，从而使物理学家能够描述系统是如何变化的。至少，这就是量子力学方程现在建立的方式。
这就是问题的症结所在。物理学家如何能将物理学定律——也就是万有引力——与量子力学的亚原子定律结合在一起呢?在某种程度上，每种理论都在跟随不同鼓点(或不同时钟的滴答声)的节拍前进。
这就是为什么当你试图把这两个物理学领域结合起来的时候，事情会变得有点疯狂。尽管量子引力发挥作用的尺度如此之小，以至于目前的技术无法直接测量这些效应，但物理学家可以想象它们。把量子粒子放在有弹性、柔韧的时空垫子上，它就会像很多橡胶一样弯曲和折叠。这种灵活性将极大地影响任何跟踪粒子的时钟的运行。在这个微小的亚微观领域中捕捉到的钟表，很可能就像一个钟摆，在地震的震颤和颤动中工作。伊沙姆解释说:“在这里，这个竞技场正受到量子效应的影响，人们没有任何东西可以站在上面。”“你最终可能会陷入一种完全没有时间概念的情况。”但是量子计算依赖于确定的时间观念。
F或者是犹他大学(University of Utah)的广义相对论家、名誉教授卡雷尔·库恰(Karel Kucha)，测量量子时间的关键是利用巧妙的数学，设计一个合适的时钟——几十年来，他一直在断断续续地尝试这一方法。库恰生性保守，他认为在采取更激进的解决方案之前，最好坚持你所知道的。所以他一直在寻求所谓的亚微观的版本牛顿时钟,一个量子计时员,可以用来描述物理的非凡的领域由量子引力,比如黑洞的内部或第一即时创建。
与日常物理中使用的时钟不同，库恰假想的时钟不会站在角落里，不受周围发生的事情的影响。它将被设置在一个微小而密集的系统中，量子引力将在其中起主导作用，并将成为其中的一部分。这种局内人的状态有它的缺陷:时钟会随着系统的变化而变化——所以要跟踪时间，你必须弄清楚如何监控这些变化。在某种程度上，这就像每次你想看手表时，都得打开手表，检查它的工作情况一样。
这种特殊类型的时钟最常见的候选者就是“物质时钟”。”“当然，这就是我们自古以来使用的那种钟。我们身边所有的时钟都是由物质组成的。毕竟，传统的计时手段是选择一些物质介质，比如一组粒子或一种流体，并标记其变化。但有了笔和纸，库恰从数学上把物质时钟带入了量子引力的领域，在这个领域，引力场非常强，那些概率量子力学效应开始出现。他把时间花在以前没有时钟去过的地方。
但是当你冒险进入这个领域，库恰说，“物质变得越来越密集。”这是在这些极端条件下，任何选择成为时钟的物质的致命弱点;最终会被压扁。从一开始，这似乎是显而易见的，但Kucha需要精确地研究时钟是如何失效的，这样他才能更好地理解这个过程，并为构建他的理想时钟设计新的数学策略。
作为量子时钟，更有希望的是空间本身的几何结构:监测在襁褓中的宇宙膨胀或黑洞形成时时空曲率的变化。Kucha推测，在量子引力的极端条件下，这种性质仍然是可以测量的。不断膨胀的宇宙提供了这种模式最简单的例子。把刚刚诞生的小宇宙想象成一个正在膨胀的气球。最初，它的表面急剧弯曲。但是随着气球的膨胀，它表面的曲率变得越来越浅。“不断变化的几何形状，”Kucha解释道，“让你看到你是在某个时刻而不是另一个时刻。”换句话说，它可以起到时钟的作用。
不幸的是，Kucha目前研究的每一种时钟都有不同的量子描述，对系统行为的不同预测。Kucha解释说:“你可以用一个时钟来构建你的量子力学，把它放在时空中，然后得到一个答案。”
“但如果你选择另一种时钟，也许是基于电场的，你会得到完全不同的结果。如果有的话，很难说哪一种描述是正确的。”
这就好比每次你想看手表的时候，你都得撬开手表，检查它的工作情况。
更重要的是，我们选择的时钟最终不能崩溃。量子理论表明，你在多大程度上减少空间是有限度的。空间中最小的量子粒子是10-33年厘米宽，普朗克长度，以量子的发明者马克斯·普朗克命名。在这个无限小的尺度上，时空画布变得波涛汹涌、混乱不堪，就像汹涌大海上的白浪。空间和时间变得脱节，开始在概率泡沫中忽隐忽现。正如我们所知道的，时间和空间不再容易定义。在这一点上，物理学变得不为人知，理论家开始步履维艰。正如物理学家保罗·戴维斯在他的书中指出的那样关于时间，“你必须想象所有可能的几何图形——所有可能的时空、空间扭曲和时间扭曲——混合在一起，就像一种鸡尾酒，或‘泡沫’。’”
只有完全发展的量子引力理论才能揭示在这个难以想象的小时空层面上到底发生了什么。Kucha推测，广义相对论的某些性质(目前还不知道)在这一点上不会经历量子涨落。有些东西可能会粘住不脱胶。如果这是真的，那么这种特性就可以成为库卡一直在寻找的可靠时钟。怀着这样的希望，库恰继续探索，一个接一个，各种各样的可能性。
库恰一直试图将广义相对论塑造成量子力学的风格，为它找到一个特殊的时钟。但其他一些试图理解量子引力的物理学家认为，修正应该以相反的方式发生——量子引力应该像广义相对论那样被改变，在广义相对论中，时间被推入了背景。Carlo Rovelli是这一观点的拥护者。
F忘记时间，”罗韦利强调道。“时间只是一个实验事实。”罗维利是法国理论物理中心(Center of Theoretical Physics)的物理学家，他一直在研究一种基本永恒的量子引力理论。为了简化计算，他和他的合作者，物理学家Abhay Ashtekar和Lee Smolin建立了一个没有时钟的理论空间。通过这种方式，他们能够重写爱因斯坦的广义相对论，使用一组新的变量，使它更容易解释和适应在量子层面上的使用。
他们的公式使物理学家能够以一种新的方式探索引力在亚原子尺度上的行为。但这真的有可能完全不涉及时间吗?“先是狭义相对论，然后是广义相对论，我们对时间的经典概念只会变得越来越弱，”罗维利回答说。“我们从时间的角度考虑问题。我们需要它。但我们需要时间来实施我们的想法，这并不意味着这就是现实。”
罗维里相信，如果物理学家找到一个统一的定律，将所有的自然力都联系在一个旗帜下，它将被写出来，而不涉及时间。“然后，在某些情况下，”罗维利说，“当引力场不是特别强时，现实就会自行组织起来，这样我们就能感知到一种我们称之为时间的流动。”
罗维利说，在最基本的物理定律中摆脱时间，可能需要一个重大的概念上的飞跃，就像16世纪哥白尼把太阳而不是地球放在宇宙中心时，科学家们所做的调整一样。这样做，这位波兰神职人员有效地推动了地球的运动，尽管在当时，很难想象地球如何在围绕太阳的轨道上飞速运转，而不把地球上的人甩出太阳表面。“在16世纪，人们认为移动的地球是不可能的，”Rovelli说。
但也许真正的规则是永恒的，包括那些应用于亚原子世界的规则。事实上，一场重写量子力学定律的运动正在进行中，这一革新在一定程度上是由时间问题和其他量子难题引发的。作为该计划的一部分，理论家们一直在重新定义量子力学最基本的方程，以消除与时间的直接关联。
在最小的尺度上，时间是没有意义的，就像一幅由点点颜料构成的点彩画，是无法近距离观察的。
这种方法的根源可以追溯到物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在20世纪40年代提出的一个程序，该方法已被其他一些人扩展和扩展，包括加州大学圣巴巴拉分校(University of California at Santa Barbara)的詹姆斯·哈特尔(James Hartle)和物理学诺贝尔奖得主穆雷·盖尔曼(Murray Gell-Mann)。
基本上，这是看待Schrödinger等式的一种新方法。根据最初的设定，这个方程允许物理学家计算粒子在特定时间内从a点直接移动到B点的概率。费曼提出的另一种方法是考虑粒子从A到B的无限路径，无论可能性有多小。时间作为一个因素被移除;只有潜在的途径是重要的。把这些可能性加起来(根据初始条件，有些路径比其他路径更有可能)，最终会出现一条特定的路径。
这个过程有时被比作波之间的干涉。当海洋中的两个波浪结合在一起时，它们可能会加强彼此(导致一个新的更大的波浪)或完全抵消彼此。同样地，您可能认为这些许多潜在路径是相互作用的——一些得到增强，另一些被破坏——以产生最终路径。更重要的是，时间不再是计算的变量。
哈特尔一直在将这种技术应用于他对量子宇宙学的追求，这是一种将量子力学定律应用于年轻宇宙以了解其演化的努力。不过，他研究的不是单个粒子，而是可能描述一个进化的宇宙的所有构型，一组无限的潜在宇宙。当他总结这些不同的构型时——一些相互增强，另一些相互抵消——一个特定的时空最终出现了。通过这种方式，哈特尔希望获得关于量子引力时代宇宙行为的线索。方便的是，他不需要选择一个特殊的时钟来实现这个物理学:时间作为一个基本变量消失了。
当然，正如伊沙姆所指出的，“在摆脱了时间之后，我们就有义务解释如何回到时间围绕着我们的普通世界。”量子引力理论家有他们的直觉。像Rovelli一样，许多人开始怀疑时间根本不是基础。这一主题在旨在解决时间问题的各种方法中反复出现。他们说，时间可能更像一种物理性质，比如温度或压力。当你讨论一个粒子或一个原子时，压强没有意义;只有当我们考虑到数以万亿计的原子时，压力的概念才会出现。时间的概念很可能具有这种统计特征。如果是这样，那么现实就会像一幅点彩画。在最小的尺度上——普朗克长度——时间是没有意义的，就像一幅由点点画组成的点彩画，是无法近距离观察的。
量子引力理论家喜欢把自己比作考古学家。每个调查人员都在不同的地点挖掘，寻找某个巨大地下城市的不同文物。这一发现的全部范围尚未实现。理论学家迫切需要的是数据和实验证据，以帮助他们在不同的方法之间做出决定。
这似乎是一项不可能完成的任务，似乎需要重现大爆炸的地狱般的条件。但不一定。例如，未来几代的“引力波望远镜”，即探测时空橡胶垫中涟漪的仪器，可能有一天会探测到大爆炸的回响雷声，这是引力第一次出现时创世瞬间的遗物。这种波可以提供关于空间和时间本质的重要线索。
“仅仅在(几十年)以前，我们是不会相信有可能说出大爆炸的前10分钟发生了什么，”Kucha指出。“但我们现在可以通过观察元素的丰度来做到这一点。也许，如果我们对普朗克尺度的物理学有足够的了解，我们将能够寻找某些今天可以观测到的结果——残留物。”如果能找到，这样的证据将使我们最接近我们的起源，并可能使我们最终认识到140亿年前空间和时间是如何从虚无中涌出的。
Marcia Bartusiak是一名作家、记者，也是麻省理工学院科学写作研究生项目的教授。她写天文学和物理学方面的文章。
摘自来自行星3:关于太阳系、银河系和更远的32个(简短)故事马西娅·巴图西亚克，耶鲁大学出版社新出版。版权所有©2018 Marcia Bartusiak。
主要图片来源:viki2win / Shutterstock。
