35. 为什么时间不同于其他维度？

 Why is time different from other dimensions?

什么是时间是一个最基本的科学问题，但从《科学》杂志对这个问题的表述来看，似乎问题的关键在于时间为什么和其他的三个空间维度不同？然而无论从相对论四维时空的角度还是从普通人的角度来看时间，这个问题最通俗明白的表述依然是：什么是时间？

图1 测量时间的载体时钟

虽然在这个世界上人们最熟悉的概念就是时间，但什么是时间或为什么存在时间，似乎没有人能够说清楚。今天我们就来讨论一下这个问题。

现在人类对时间的普通共识有以下三点：

1. 时间是事件从过去到未来的进程。

2. 时间只向一个方向移动，时间只能向前，不能倒退。

3. 记忆的形成是人类感知时间的基础。

这三点集中了时间在主客观上的基本属性。首先时间是这个世界事件发展进程的反映。所以时间的存在来源于这个世界不断运动的属性，时间就是这个世界的物质运动在人头脑中的反映。物质的运动是这个世界最基本的状态，而运动最直观的图像就是：人类所观察的各类物质都在三维空间内不停运动。

图2 物质世界在各个层次的运动

物质的运动必然产生物质的发展变化，比如试管中化学试剂颜色的改变必然对应于原子和分子的运动。所以物质在不同层次的运动和变化是时间概念存在的基础和来源。为了统一标定运动进程完成的先后，人们选择一种标准的运动做为时钟，来衡量物质运动变化进程的不同。

其次就是时间的单向性，时间的单向性必然对应于物质运动变化的方向性，也就是整个物质世界各个层次物质运动自发的发展方向。那这个世界物质运动发展变化的方向是什么？这就是物理学热力学第二定律所给出的熵。对于一个宏观大自由度的系统，热力学第二定律揭示系统的熵总是朝着增加的方向发展。熵代表一种混乱度，也就是系统的运动总是朝着混乱的方向发展而永远不会出现重复。而这个现象我相信大多数人都有经验。

图3 物质运动的方向性 熵增

最后就是时间的概念来源于人类对运动的感知。一个事物的发展变化之所以被人感知是因为事物由于运动而发生变化，这个变化过程在记忆中的比较排列就是时间的概念。试想一下如果一个事物根本不发生任何可以观测的变化，那人是无法感受到时间流逝的；反过来，如果一个人没有记忆，无法把事物现在的状态和过去相比较，那他也无法感知时间的存在。所以引申来看，如果一个人的记忆力好，那他就能记住整个事件过程中更多的景象，那么他就感觉到时间过得很慢，而相反那些记忆力差的人就感觉到时间过得非常快，当然这只是人类时间感知上的错觉，而人类普遍认为客观的时间永远应该是均匀流逝的。

所以为了寻求最精确的测量时间的工具即时钟，就要寻找世界上最严格的周期运动。我们计算年和月的时钟最初就是利用地球的周期运动，然而地球的周期运动并不均匀，所以才发明了其他更精确和精细的计时工具，目前最为精确的就是铯原子钟，利用铯原子电子能级跃迁的周期运动作为计时工具。

图4 地球的自转规定天的时间概念

然而时间却并不像以上三点所揭示的那么简单。其中之一就是：时间并非是均匀流逝的，时间的快慢和物质的运动紧密相连。这就是爱因斯坦著名的狭义相对论所揭示的东西，时间的相对性直到今天依然让很多人迷惑不解。

对于数学家而言，时间是这个世界的一个维度，我们人类和周围的物质世界都存在于一个四维的时空之中。维度就是约束物质运动变化的东西，比如一个星体的运动，你用三个空间坐标和一个时间坐标四个量就能限制其不再变化。如果除此以外星体还能产生其他变化，那这个变化就会构成另一个新的维度。所以狭义相对论断言：在四维时空中物质的运动必须满足某种约束条件，也就是物质运动的速度不能超越光速c。而这个约束就把时间和空间紧紧联系在一起，也就是时空并非是彼此割裂和独立的，而是统一联系在一起的，在四维时空中不同运动状态的物体其时间可以不同。这个效应最为通俗的名称就是：时钟延缓效应。

图5 不同速度的火箭具有和地球表面不同的时间进程

时钟延缓理论断言：运动越快的物体其时间就越慢。那么极端情况就是，当一个物体以光速运动时，对它而言时间将停止，也就是其内部各个层次的运动都将停止！狭义相对论得到的这个看似匪夷所思的结论得到了实验上毫无争议的支持。其中一个最为有力的证据就是：高速运动的缪介子的寿命比静止时要长，而且实验曲线和相对论理论预言的曲线严重一致（图6所示）。请问除此以外你还能相信其他更为复杂的理论解释吗？

图6 μ介子的寿命实验曲线

然而这是一个让人激动的结论，因为生命可能因此找到一种获得延续的可能。科学家发现喷气飞机或卫星轨道上的时钟所记录的时间的确比地球上静止的钟慢。然而新的问题又来了，把一个宏观的物体加速到很高的速度并不容易。现在人类飞机能够达到的最大速度是10马赫，仅仅达到光速的万分之一，而这个速度对时间的延迟简直就是微乎其微，几乎和没有延迟一样。所以除非物体相对于地球至少达到1兆米每秒的速度并进行长期的星际旅行，这样的时间延迟才有微弱的意义，而在地球上由于运动而产生的时间延迟根本没有任何实际的意义。

图7 相对论时间延缓公式

第二个让人不解的是：时间做为一个特殊的、有方向的维度是否可以像空间维度那样，人类可以在不同时间点之间来回穿越？既然时间可以延缓，那人类是否可以在不同的时空中相互穿越，从一个慢的时空里进入一个快的时空里，从而到达快时空的一个更早的时间点，或者相反到达某个时空的未来，从而实现在过去、现在和未来之间的穿越？

图8 拿破仑的时光穿越

这个问题的另一种表述是：不同的时空是否存在，并且是否可以相互联系？用更为流行的语言就是：平行宇宙真的存在吗？平行宇宙之间是否存在虫洞而相互联系（可参考科学问题26平行宇宙）？然而这里还有一个悖论就是时间穿越会打破因果律，或者因果律是否可以被打破？如果因果律真的不存在，那你是否能够穿越到过去去阻止你的出生，这真是一个让人感到激动的问题！