为什么时间会流逝？
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译者注：诗人Omar Khayam曾经这样描述过时间。
The moving finger writes
And having writ moves on.
Not all your piety nor wit
Shall lure it back to cancel half a line.
罗马诗人维吉尔的诗中有一句：
Fugit inreparabile tempus.
“时光一去不复返。”（FUGIT inreparabile tempus.）时间的流逝是不可逆的，但是究竟是因为什么呢？为什么时间会流逝？为什么时间有方向性？为什么，换句话讲，人们不能记得“未来”？这是一个极其深奥的问题，深邃到几乎有很少的人可以提出这样的问题并且真正地思索过它们。然而，这样的问题却一遍遍地在科幻小说里面被提及。最早的时候，H.G Wells写了一本叫做《时间机器》（The Time Machine）的小说并且在1895年首次被发行，从那以后，作家们和编剧们就一直孜孜不倦地幻想着时间旅行的可能性－人为地改变时间的流向而不仅仅是被动地接受流逝的时间。紧接着，BBC推出了一个叫做“Doctor Who”的长系列节目－在节目中超级英雄使用一个电话亭模样的，叫做Tardis的古怪时间机器进行时空穿梭－并且大获成功，从此时空穿越的概念便越来越被大众们所着迷。
在Wells出版那部小说的那个时候，正是人们首次使用科学手段和科学工具来分析时间的时代。从那以前，科学家们虽然一直都将时间视作一个重要的物理量，但是和普通人所认为的一样，科学家们也将时间当作是一种理所应当的存在，一种滴滴答答一直向前的东西，一种丈量物体的手段。然而，至于时间本身是什么却没什么好研究的。
直到1887年，这种看法开始改变。在这一年，两位美籍科学家，Albert Michelson和Edward Morley在测量地球相对于“以太”－一种在当时的理论中被定义为光波可以在其中波动的物质－的运动速度时，他们使用光的干涉来检测传播方向与地球自转方向相同的光的传播速度，与传播方向和地球自转方向呈一定角度的光的传播速度有多少不同，从而推算出地球的自转速度－也即相对于“以太”的运动速度。然而他们却发现，这两种干涉条纹竟然没有什么不同。这就意味着光速并没有和地球的自转速度叠加。由于速度被定义为物体运动的距离除以物体运动的时间，因此这同样也意味着距离，或者时间，或者两者，都是可变的。
无独有偶，Wells的关于时间旅行的小说－作为其后一系列小说的基础－在1888年－也就是Michelson-Morley实验被实施后的第二年－被发表。同时，时间的可变性（当然也包括距离的可变性）于1905年在爱因斯坦的侠义相对论中被证实，量化并且解释。以Michelson-Morley实验所发现的光速的不变性为出发点，爱因斯坦推得了时间的流逝速度也不是一成不变的。时间是可塑的，在不同的参考系中有着不同的流逝速度－取决于参照系之间的相对速度。同时，当参照系的相对速度达到光速时，时间是停止流动的。
时间旋律下的舞蹈
在接下来的10年里，爱因斯坦将这个问题进行了更深入的探索。他在其1915年发表的广义相对论中指出，要想合理地解释万有引力，就不能将空间和时间看做两种截然不同的纬度，即空间和时间没有本质的区别，同时我们的宇宙的结构是由这两种纬度混合的四个纬度所组成－一个“四维时空”的连续体。于是，时间变得不仅仅是有弹性的，而且是可以被操控的。特别地，爱因斯坦指出大质量物体附近时间变慢。
在爱因斯坦的方程中，没有一个认为时间是有箭头的。换句话讲，无论时间是向前流动还是向后流动，这些方程－和他们在经典物理学中的前辈们一样－都是成立的。这与我们的常识是相违背的。爱因斯坦的理论是众所周知地“违反常识”，他曾经讲过：“所谓‘常识’，也只不过是在你长到18岁之前头脑积攒里的偏见罢了。”
（译者注：此原句为如下，参考自Wikiquote）
Common sense is nothing more than a deposit of prejudices laid down by the mind before you reach eighteen. –Albert Einstein.
（接上文）尽管如此，时间的方向性，和那些方程所表现的所不同，是一种被或多或少广泛接受的一种“偏见”－尤其是被物理学的另一个分支－热力学所青睐。
一个叫Arthur Eddingtong的人在1919年的日全食中精确地捕捉到了一张太阳周围的星星的照片，这为广义相对论的一个关键推论－在大质量物体（例如太阳）附近光线变弯并且时间减慢－提供了一个有力的验证。这两种现象都是时间和空间被大质量物体所扭曲的结果。如果光线不被太阳的引力扭曲，太阳周围的那些星星在Eddington的照片中的图像应该会更贴近太阳更近一些。
尽管Eddington因为验证了相对论的方程而一举成名，但是Eddington却注意到了这些方程失效的场合－在时间的方向需要被限定的场合下，这些方程不能与我们平常的事实相吻合。因此他更倾向于用一种不同的理论来解释这种事实－一种基于热力学的理论。
热力学第二定律将我们平常司空见惯的一种观测结果用数学进行定量描述，即热量只能从温度高的物体向温度低的物体传递而不能反向。基于此进行数学上的处理，我们可以得到很多推论。其中一个便是众所周知的：随着时间的流逝，系统只会变得越来越无序（译者注：熵增原理）。这种原理适用于两种气体的混合同样也适用于小孩儿们的床铺。这是由于，系统从有序到无序的途径会比系统从无序到有序的途径更多。
这种观测结果早在1877就被一个叫做Ludwig Boltzmann的人得出，但是直到将近半个世纪后的1927年，Eddington才以此提出了所谓时间箭头的观点：
现在我们随意画出一个箭头，如果随着我们箭头指向的方向，这个世界上不确定的、随机的部分变得越来越多，那么这个箭头就指向未来。反之那么这个箭头就指向过去。我倾向于使用“时间箭头”（Time's Arrow）这个词来描述时间的这种单向性，而这种属性，是空间所不具备的。
从Eddington开始，越来越多版本的关于“箭头”的理论接二连三地被提出。例如：宇宙的膨胀，或者光波从光源向外辐射。事实上，这些例子都涉及到了一个具有毋庸置疑的方向性的系统。
同时对于人类来说，这种箭头也是恰当的。例如，你只能记得你的过去。人的记忆是人的大脑内神经细胞发生变化的结果；带来的结果是系统更有序而不是更无序（这并不与热力学第二定律相违背，因为这种有序是由于在这些改变中，化学反应产生的热量所造就的无序抵消了一部分无序）。但是基本的原理仍然适用。假如在分子的层面上观察一个没有学习过的大脑，并拿它和一个学习过的大脑相比，观察者会发现两者的差异是巨大的，因此会很轻易地分辨出哪个是哪个，从而辨别出时间的箭头方向。
今日不再来
这些解释－无论是系统的无序增加还是个人经历的增加－都仅仅是阐述一种场景，在这些场景中时间的箭头可以被检测到。他们都未真正地触及到一个核心的问题：为什么时间这个纬度和其他三个空间的纬度是如此地不同？
时间的箭头－正如Eiddington所描述的那样，是一种突现的的性质。把很多微小的东西放到一起，比如说原子，单一的原子是不存在所谓箭头的，但是当把它们放到一起发生了反应，箭头就显现出来了。当然还有另外一些有意思的例子：一些物质并不需要在复杂的无序中才能揭示时间的不对称性。这些物质包括一些亚原子的物质和它们的所相应的反物质。
在1998年，第一个这样的例子是关于一种叫做K中间子（Kaons）的粒子，这种粒子可以自发地转变成它们的反粒子－反中间子。然而反中间子，在重复相反的过程时其速度却是异常缓慢的。对于这种不对称性唯一合乎逻辑的解释是，中间子和反中间子，两者经历的时间的快慢是不一样的。类似的现象随后在B介子和反B介子身上被发现。
这两种观测结果显示了在一些特定的场合（特别是也需要违背电荷宇称性时间对称（Charge-parity Symmetry）的场合），在时间正向流动和反向流动两种情况下，关于时间的方程是有所不同的。然而需要注意的是，在这些观测中没有任何物质是回到了过去的。虽然这些观测吸引了那些研究物质和反物质的差异性的物理学家们的浓厚兴趣；但是对于那些不想仅仅停留在热力学这样的层次上搞清楚时间箭头，甚至利用这些知识去制造出来一个像Tardis那样的时间机器的他们的同党们，这些观测的价值并不大。
至于有没有可能能制造出来这样的一个时间机器取决于你拿它干什么。造出来一个可以到达未来的机器是极其容易的－至少在理论上是这样，而造出来一个能回到过去的机器要更复杂些。
最简单的穿越到未来的方法是乘坐宇宙飞船加速离开地球，然后折返再回到地球。一些爱因斯坦的方程可以计算出同样的物体，在飞出地球和留在地球这两种情况下所经历的时间的不同。飞出地球的那个所经历的时间要更慢一些。假如一个飞行器－以飞船上的时间来看－经历了一个长达40年的飞行。其中前四分之一的时间以1G的加速度恒定加速，然后再用1G的加速度恒定减速直到速度为0，再折返重复上面的过程，当它到达地球时，飞船上的人就会发现，这时地球上已经经过了58,000年。
这样穿越到未来的旅途只会是一种单程的旅途。一种更了不起的时间机器应该是能允许穿越回过去的－虽然只能穿越到那个时间机器发明之后的任何一个日期。
爱因斯坦的方程允许，在特定情景下，一种叫做虫洞的结构的出现。虫洞可以成为在时空连续体之中相隔遥远的两部分之间的一个捷径，物体可以穿梭其中。假如说上面所描述的宇航员在飞船飞行时随身携带了虫洞的一端，同时把虫洞的另一端留在地球上，那么在地球的那一端将会在未来经过了58,000年。如果有物体或者人可以完好无损地穿过这个虫洞（一种有争议的物质结构，不过一些实际的模型显示它确实存在），那么他就可以在这两端之间来回穿梭，虽然这两端之间相隔了58,000年。
过去是开场白
上面的猜想就需要一个可以控制的虫洞来实现。然而理论上制造这样一个虫洞所需要的巨大的物质总量（其中一些物质还要求是负的），以及巨大的能量，当然还有怎么操控这样一个虫洞怪兽，都使得这样的任务看起来不可能完成。剩下的就仅仅是一个理论上的传说了。理论不能堵死回到过去这样的可能性，但是一些现实的现象却可能预示着这种穿越是不可能的。或许这算是最好的情况了。我们想象假如回到过去变为可能的话，一些白痴毫无疑问会去检验所谓的“祖父悖论”（The Grandfather Paradox）－那些科幻小说作家的另一个“发明”。时间旅行者回到过去，在他父母出生前就杀掉他的祖父，这就意味着这位时间旅行者永远不会出生，也就意味着这个谋杀也不会发生。
“祖父悖论”－即因果关系不可反转－或许是我们理解时间箭头的一个关键。这种规律，可能会在那些基于热力学的解释时间箭头的理论里面有过隐式的表达，但是这些理论尚未被转化为清晰的数学理论。那些可以将这些理论转化为严谨的数学理论的人，或者那些可以解决关于时间箭头的本质的谜题的人，诺贝尔奖在向你们招手。
本文原载于《The Economist》2015年09月05日期Science brief栏目。
原文标题为Why does time pass? The moving finger writes
译者：ptbsare
预告：
- 下一期：What is consciousness?
下一期应该是这个系列最后一期了。