清晨，当我们一把抓起外套赶去上班时，总会忍不住瞥一眼墙上的钟，确认时间是否来得及。然而，对于这些习以为常的一切，我们如果追问一句“时间为什么会流逝”，就会发现，现代物理学迄今难以给出令人满意的解释。英国牛津大学的娜塔莉娅·阿雷斯认为，这算得上是科学界最大的谜团之一。 不过，一种关于时间本质的大胆设想近来正重新受到关注。早在20世纪80年代，物理学家就提出过一个被称为“佩奇-伍特斯机制”的假说：时间或许只是某种幻觉，是量子力学的奇特机制从一个本无时间的宇宙中构造出来的。 由于当时没有任何办法加以检验，该理论便不了了之。40多年后的今天，对时间流逝问题的最新研究表明，人类或许终于有机会对这一优雅的假设进行检验，并揭示黑洞在时间流逝过程中的神秘作用。 在现代物理学的各种定律和方程中，暗示时间单向流动的唯一线索来自热力学第二定律。该定律指出，熵（一个用于度量系统无序程度的参量）总是倾向于增加。这就是为什么牛奶一旦倒入咖啡里就难以分离；城堡一旦坍塌就不会自发重建。不过，要用它来完美解释时间，还差得很远。 按照热力学第二定律，宇宙必须从一种极其有序、低熵的状态开始，但物理学至今无法解释这种初始状态为何存在。而爱因斯坦的广义相对论，则将时间与空间融合为一个四维的、可以弯曲的结构，这种结构会在质量和运动的影响下扭曲。 在这个框架下，在引力更弱的山顶上，时间的流逝会比在海平面区域稍快一些；在某些极端情况下，例如物体以接近光速运动时，不同观测者甚至可能会对事件发生的先后顺序产生分歧。爱因斯坦认为，这只有在过去、现在和未来同时存在的情况下才说得通——就像一本摊开的书，每一页都并排存在。 如果说相对论模糊了我们对时间的认知，那么量子理论几乎不再把时间考虑在内。在量子理论中，时间更像是背景板里的一个“外部参数”，许多量子过程在理论上既可以向前、也可以向后发生。 量子理论关注的是测量，但与位置、动量和能量等物理属性不同，时间无法被直接测量。我们可以测量粒子在哪里，却无法测量它“什么时候”在那里。美国国家标准与技术研究所物理学家尼克尔·哈尔彭说：“时间更像是我们人为塞进理论中的一个要素，而不是量子系统中可以测量的自然属性。” 和爱因斯坦一样，他们也把整个宇宙视为一个静止的整体，不过不是想象成一本翻页书，而是设想成一个巨大的量子波函数，包含了宇宙可能呈现的一切状态——每个粒子和它们每个可能的运动方向，以及所有的场，都被囊括其中。单独来看，这个波函数既不“滴答”运转，也不会变化，它与时间无关。 接着，佩奇和伍特斯又将这一静止结构一分为二。其中，一半用来描述所有我们能够观测到的事物，另一半则充当一种内部时钟。两者通过量子物理中的一种被称为“纠缠”的奇特现象连接在一起。纠缠会把两个对象紧密联系起来，使得其中一个的变化瞬间影响另一个。佩奇和伍特斯证明，这种纠缠关系能够产生时间流逝的表象。 想象一下，一份小说手稿静静地放在桌子上，想要读懂这个故事，必须按正确的顺序阅读——页码的存在就提供了这种结构，能将故事角色、情节串联起来。 佩奇和伍特斯提出，宇宙或许也以类似方式运作：波函数中编码现实内容的部分就像书页上的文字，充当时钟的部分则像页码，两者结合在一起，创造出时间流逝的表象。以色列特拉维夫大学的西蒙·利亚维茨认为，这个解释相当有说服力。 2024年，意大利国家研究委员会的保拉·韦鲁基构建了一个简洁的数学模型，表明佩奇-伍特斯机制的基本设想似乎是成立的。研究团队让微小磁体阵列组成的时钟与一个类似弹簧的量子系统发生纠缠，由此来模拟这个机制，结果他们发现甚至可以从这个模型中推导出所有熟知的运动方程。 不过，该机制还有许多未解之谜。其中最根本的是，佩奇和伍特斯并没有真正说明他们所谓的“时钟”究竟是什么，它是否与我们熟悉的物理时钟有相似之处。他们也没有充分解释，我们熟悉的时间体验是如何从这张量子纠缠网络中产生的。 通常来说，纠缠是一种容易被破坏的脆弱联系。如果我们一直与宇宙内部时钟保持纠缠，为什么时间的流动仍然显得平滑，而我们的观测似乎从来不会打断它？ 过去十年，量子计算机、量子传感器等设备从概念验证逐步进入现实应用阶段，量子测量要进一步发展，时间测量就会成为一个关键瓶颈。而一直停留在理论与思想实验层面的佩奇-伍特斯机制，或许会成为突破口。 在物理学发展历程中，人们往往把时钟视为理所当然的工具。但2017年的一项研究证明，计时其实是有代价的。它并不是类似尺那样的被动测量工具，而更像是发动机——持续测量时间需要做功，且会产生热量。在经典设定中，这点热量微不足道，但在量子世界里，哪怕再微小的热量也会扰乱时钟运行。 奥地利维也纳工业大学的马库斯·胡伯与阿雷斯合作，致力于研究当时钟被推到量子极限时会发生什么。胡伯认为，从根本上看，时钟就是能够产生不可逆事件、并将其记录下来的系统。所谓“不可逆事件”，是指增加熵的过程，这也解释了为什么即使最微小的时钟也会产生热量。由此，人们可以通过研究时钟产生多少熵来理解它如何记录时间。 过去几年，胡伯和他的同事们用仅由几个原子组成的最简单的时钟，来进行这一研究。2021年，他们描述了时钟精度与其产生的熵之间的换算关系。一般来说，时钟“滴答”越频繁，产生的熵就越多。去年，他们甚至制造出了一种利用随机量子过程计时的时钟，它几乎能在不产生熵的情况下运行。但即便如此，仍然存在一个问题：读取时钟上的时间这一提取信息的过程，仍然会产生熵。 这些实验不仅仅是为了提升计时技术，胡伯更将其看作探索更深层问题的工具，希望能够对时间的本质有所了解，其中就包括重新审视佩奇-伍特斯机制。他希望把这个跨越整个宇宙的纠缠时钟视为一个真实的物理系统，而不是纯粹的数学对象——如果关于精度、熵和可逆性的规律能够在各种时钟中得到统一描述，那么佩奇-伍特斯机制原则上是可以被检验的。 目前，胡伯团队正致力于在实验室中模拟佩奇-伍特斯机制，希望能回答一些基本问题。比如，在这样的量子系统中，时间的流逝究竟是平滑的，还是像量子一般离散。这是一种奇妙的跨领域碰撞：一方面是拆解时钟的研究，另一方面是解读时间的本质。胡伯认为，这两个领域有着各自的时间观，而它们正在开始交叉。 还有更多学者在推进佩奇-伍特斯机制研究。利亚维茨及其同事也在探索如何把佩奇-伍特斯时钟变成现实。去年，他研究了如何在不破坏产生时间结构的纠缠状态下读取佩奇-伍特斯时钟。如今，他正在探索另一种设想：也许不需要一个完美时钟，而是可以将没那么精确的时钟拼凑起来，共同为宇宙计时。 与此同时，韦鲁基认为自己或许已经发现了自然界中最理想的时钟。在此前与意大利国家研究委员会的亚历桑德罗·科波的合作中，她分析了理想化佩奇-伍特斯时钟所需的三个条件：足以追踪系统演化的能量、能避免外界噪声干扰的环境，以及与计时对象发生纠缠的能力。 在今年发表的一篇论文中，韦鲁基和科波提出，黑洞恰好满足这些条件。黑洞拥有极其强大的引力场，连光都无法逃脱其视界，因此几乎不会与外界发生相互作用。然而，正如斯蒂芬·霍金在20世纪70年代所指出的，黑洞仍然可与外界发生量子纠缠。例如，可以在黑洞视界附近产生一对量子粒子，其中一个落入黑洞，另一个作为辐射逃逸。这样，黑洞内部与外部世界便可以建立起联系，这或许足以充当一座宇宙时钟。 在韦鲁基看来，黑洞简直就是一台完美的时钟，“你无法与它直接相互作用，但同时又能与它发生纠缠”。那么，佩奇-伍特斯机制中的“时钟”部分有没有可能就是黑洞？韦鲁基希望，能够早日检验这个大胆的设想。 假如黑洞真能作为近乎理想的时钟，那么它的计时行为就应该像量子时钟一样，计时过程会在热力学性质以及它释放的辐射熵中留下印记，例如量子关联如何扩散、信息如何被打乱。韦鲁基和科波的下一步工作，就是分析黑洞模型的热力学性质，并寻找能在量子时钟里看到的与熵动力学相似的规律。 韦鲁基认为，这些进展进一步强化了一个观点：时间并不是基本存在，而是涌现的结果。这也让她产生了一个更深的想法。许多物理学家认为，热力学第二定律体现了时间流向的不可逆性，但它虽然说明宇宙的熵不会减少，却并不排除熵保持不变的可能，因此仍不足以解释时间为何会流动。 然而，自然界中确实存在一种真正不可逆的过程，那就是量子坍缩。韦鲁基指出，量子被测量前处于多种可能结果的叠加状态，但测量会让它坍缩为一个确定值。没有人完全理解这种坍缩是如何发生的，但有一点可以肯定：它无法被逆转。 韦鲁基现在怀疑，这或许正是理解时间的关键——时间之箭也许只是那些不可逆的测量记录的积累。我们通过与现实元素的相互作用（即物理学家所谓的“测量”），知晓了各种事件的时间顺序，就像翻阅一本宇宙之书一样。 如果时钟是记录测量结果的物理系统，而我们也身处这一系统中。那么，或许我们不仅是时间的观察者，也是时间的参与者。正如韦鲁基所说：“当你询问‘现在是几点’的时候，你就在创造时间。”
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