鐘點的終點？

編譯 高原興 謝懿

約一個世紀(jì)前，兩位偉人就時間的本質(zhì)展開了辯論。其中一位是法國哲學(xué)家、超級巨星亨利·貝格松（Henri Bergson）。他露面時，粉絲們蜂擁而至，造成紐約百老匯交通擁堵。貝格松相信，時間的意義超出了時鐘測量結(jié)果的范疇，還有數(shù)學(xué)和心理學(xué)解釋。他還認為，只有哲學(xué)才能揭示人類對時間的體驗，即持續(xù)長短和方向性。

貝格松的反方是物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦。在提出了相對論后，愛因斯坦相信時間是一種獨立于人類意識的物理實體，可以加速或減速。他認為，時間和空間交織在一起，在靜態(tài)宇宙中沒有明確的過去、現(xiàn)在和未來。

即使到了100年后的今天仍在激烈地爭論，為什么人類所感知的時間與物理學(xué)中的時間如此迥異?，F(xiàn)在有新的線索開始暗示，測量時間的裝置可能對找到上述問題的答案至關(guān)重要。

這些線索來源于廣義相對論。在該理論中，時鐘被視為完美的理想裝置。無論放大多少倍，時鐘的讀數(shù)都連續(xù)而準(zhǔn)確，但實際情況并非如此。時鐘是由物理器件組成的裝置，不可能理想化。更真實地了解時鐘也許是最終認識時間的關(guān)鍵。

任何變化的事物都可以用來測量時間。日晷利用太陽的移動，水鐘利用水的流動，甚至由一杯茶的溫度都可以估計出它是什么時候沏的?，F(xiàn)如今，廣為使用的是精密的機械鐘和原子鐘。它們能以特定的頻率可靠運轉(zhuǎn)，精準(zhǔn)度遠遠超出了一杯茶的水平。

自17世紀(jì)天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）發(fā)明第一臺擺鐘以來，時鐘的精準(zhǔn)度一直在穩(wěn)步提升，成就非凡。當(dāng)前最先進時鐘的精準(zhǔn)度極高，200億年內(nèi)偏差不會超過1秒，這樣時間跨度已經(jīng)超過了宇宙的年齡。盡管性能極佳，但代價也極為巨大。

時鐘的正常運轉(zhuǎn)需要能源。老爺鐘必須上發(fā)條，掛鐘則需要電池供電。最精準(zhǔn)的原子鐘則需要由高功率激光驅(qū)動的原子改變能級時所發(fā)出的電磁信號來走時。

這不足為奇。但最新研究表明，除了能源之外，時鐘的運轉(zhuǎn)可能還與其他因素有關(guān)。若時鐘作為一種熱力學(xué)機器，內(nèi)在的物理學(xué)規(guī)律會限制其基本性能。這不僅意味著測時精度可能會受限，對哲學(xué)家思考時間的方式也會產(chǎn)生重大影響。

熱力學(xué)機器有兩種。第一種是熱機，熱力學(xué)決定了其效率最大值，例如冰箱和內(nèi)燃機。第二種則是信息存儲設(shè)備，例如脫氧核糖核酸和硬盤，熱力學(xué)決定了從其中刪除信息的成本。如果時鐘是第三種熱力學(xué)機器，熵決定了其時間測量的精準(zhǔn)度。

在熵的概念出現(xiàn)前，1824年工程師薩迪·卡諾（Sadi Carnot）就確定了熱機的最大效率。他的計算為發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第二定律鋪平了道路。該定律稱，對于任何封閉系統(tǒng)，即沒有物質(zhì)流入或流出的系統(tǒng)，熵作為無序性或隨機性的一種度量，會隨著時間的推移而增加。

低熵意味著高有序性。在一個密閉的盒子里，如果原子都聚集在某個角落，而非無序地散布其中，那么該系統(tǒng)的熵就很小。然而，有序排列原子的途徑少于無序排列的情況，即無序排列的可能性更大，因此諸如宇宙這樣的封閉系統(tǒng)會變得無序。一杯熱茶會向周圍散發(fā)熱量，導(dǎo)致總熵值增大，但茶水絕不會自發(fā)升溫。由此產(chǎn)生了時間之箭。

熱力學(xué)第二定律是唯一一個在時間上不可逆的物理定律，正因如此，熱力學(xué)被用來解釋時間之箭。但是，熱力學(xué)第二定律并非事情的全部。為什么人類所感知的時間總是向前流淌仍是一個問題。今天的許多物理學(xué)家認為，這可能只是一個幻覺。

如果熱力學(xué)的時間之箭能與時間的實際測量聯(lián)系起來，那么熱力學(xué)會有助于解釋人類究竟是如何感知時間的。這里所需要的是熱力學(xué)和守時之間的直接聯(lián)系，用它可以解釋為什么隨著宇宙的熵增所有的時鐘都朝著同一個方向運行。只有找到了這種聯(lián)系，也許才能回答愛因斯坦和貝格松所辯論的一些問題。一部分致力于此的科學(xué)家把目光轉(zhuǎn)向了時鐘。

幾年前，有物理學(xué)家開始試圖探究時鐘的本質(zhì)。他們把量子時鐘建模為一個易于追蹤能流的簡單系統(tǒng)，并設(shè)計出了三原子時鐘系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個冷原子、一個熱原子和一個借由前兩者間能流來走時的原子。2017年公布的結(jié)果顯示，精準(zhǔn)度越高，其消耗的能量就越多。盡管這是一項重大發(fā)現(xiàn)，但仍然停留在純理論層面。直到2020年，相關(guān)的實驗才就緒。

科學(xué)家用一片懸掛著的、厚約50納米的氮化硅薄膜制作了一個簡單的擺鐘。相比單擺，它其實更像一面鼓。鼓膜的每一次振動都對應(yīng)于時鐘的一次走時。外加電場可以增大鼓膜振動的幅度。為了確定時鐘的精準(zhǔn)度，也就是走時的規(guī)律性，這面鼓被連接到了一個帶有電壓表的電路上。整個實驗裝置非常精妙。

該實驗證明，鼓膜接收的能量越多，走時越精準(zhǔn)，產(chǎn)生的熵也越多。由于時間測量會導(dǎo)致不可逆的熵增加，這是首次對時間向前流淌的原因作出解釋，并給出了熱力學(xué)時間之箭和感知時間之間的明確聯(lián)系。

它也加深了對時間和熱量之間嚴(yán)格關(guān)系的認識。簡單來說，如果沒有熱量，就無法區(qū)分過去和未來。上述實驗支持了熱時間假說。該假說認為，時間是由人類宏觀尺度的熱力學(xué)定律所產(chǎn)生的，與微觀尺度無關(guān)。

關(guān)鍵的是，該研究還證明，并非只有人類能體驗到時間之箭。 測量時間的無論是有意識的人，還是探測設(shè)備，其實并不重要，熵都會增加。也就是說，人類對時間的感知并不是意識的結(jié)果，它可能從物理上就構(gòu)建在守時的過程中。如果這樣，貝格松的觀點就會站不住腳，而愛因斯坦對時間是一種物理實體的觀點則是正確的。

這并不是第一次研究能量消耗和時鐘精準(zhǔn)度之間的聯(lián)系。海洋藍藻體內(nèi)的生化鐘也存在類似的關(guān)系，能幫助它們在日出之前合成光合作用所需的化學(xué)物質(zhì)。然而，藍藻是生命體，并非機械時鐘。因此，除了受限于能量外，其時鐘的精準(zhǔn)度可能還受到了生物演化的影響。

不過，這些規(guī)則似乎并不適用于所有時鐘。精準(zhǔn)度最高的原子鐘比理論預(yù)言的更加高效。由于這些鐘由復(fù)雜的電路、探測器和反饋組成，因此難以對它們的能流建模。

如果能證明原子鐘也遵循能量消耗和精準(zhǔn)度之間的關(guān)系，其意義將超越證明時間之箭獨立于人類意識。時鐘和熱力學(xué)之間的聯(lián)系可能也會反映在更小尺度上的時間里。如果時間測量的精度存在極限，那么這是否意味著時間本身并非是完全連續(xù)的，而是離散的，就像光由光子組成一樣。

回答這個問題會很棘手。要想探測目前最好的粒子加速器也無法企及的時空最小尺度，需要巨大的能量。當(dāng)能量高到一定程度時，則可能會制造出一個黑洞，破壞整個實驗，表明不可能無限制地分辨時間。對于時間間隔的測量存在基本的限制。這可能與由熱力學(xué)導(dǎo)致的限制有關(guān)，但目前尚不清楚兩者的聯(lián)系。

在微觀時間尺度上探測時間不但令人興奮，還與量子力學(xué)和測量問題相關(guān)。不同于在相對論中時間具有局部和相對特性，量子力學(xué)假定存在一個全局的背景時間。量子力學(xué)鐘不存在時間之箭。時間無論向前還是向后，量子力學(xué)的方程都成立有效。但有時這一可逆性會被打破。在測量一個量子系統(tǒng)時，測量行為會導(dǎo)致該系統(tǒng)從一個混合有不同可能狀態(tài)的疊加態(tài)坍縮成一個特定的輸出結(jié)果。這個過程是不可逆的，由此產(chǎn)生了時間之箭。時間究竟是如何既包含又不包含時間之箭的，是量子力學(xué)的眾多謎題之一。但如果熱力學(xué)可以解釋人類感知的時間之箭，或許它也可以用于解釋量子力學(xué)的時間之箭。

要測量，就必須施加作用。但在量子力學(xué)中忽視了這一過程的本質(zhì)。測量行為應(yīng)該會產(chǎn)生一股可以用熱力學(xué)定律來描述的能流。測量也許本質(zhì)上就是熱力學(xué)第二定律的體現(xiàn)。類似于時鐘，量子力學(xué)測量可能也會造成熵增加，形成時間之箭。

另一方面，這些研究還有助于檢驗一些意在調(diào)和量子力學(xué)與廣義相對論的量子引力理論。但相關(guān)的實驗極其困難。由于引力場十分微弱，一種方法是讓大質(zhì)量物體處于量子疊加態(tài)來探測引力效應(yīng)，但目前只在最多由2 000個原子構(gòu)成的分子上實現(xiàn)了這一點。另一種方法就是使用量子時鐘來開展超高精度的測量。如果能制造出在短時標(biāo)上也極為精準(zhǔn)的時鐘，就相當(dāng)于在實驗室里布設(shè)了一個可檢驗引力效應(yīng)的量子實驗裝置。

任何意圖解釋引力和量子力學(xué)的理論都必須能描述時鐘在量子尺度上的運轉(zhuǎn)。認識時鐘的本質(zhì)，了解量子力學(xué)和相對論與時鐘之間的相互作用，可能是統(tǒng)一這兩種理論的重要步驟。

貝格松和愛因斯坦的辯論使得廣義相對論與諾貝爾獎失之交臂。諾貝爾獎委員會主席表示，雖然情況很復(fù)雜，但法國著名哲學(xué)家貝格松公然挑戰(zhàn)這一理論卻是盡人皆知。最終，愛因斯坦因光電效應(yīng)而獲獎，后者自然少了些獨特性。但100年后的今天，愛因斯坦似乎才是真正的贏家。下一個問題則是能否找到一條統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)的道路。只有時間才能回答。

資料來源 New Scientist