时间只是幻觉吗？

重点提要
-在当今的物理学中，时间是个特别热门的主题。为了寻找统一理论，物理学家必须重新检视非常基本的假设，而其中最基本的几乎就是时间了。
-有些物理学家认为时间其实不存在，有些人则认为应该让时间升级而非降级。在这两种观点之间，还有一个有趣的想法：时间存在，但并非基本。我们察觉到的时间，是由一个静态的世界浮现出来的。
-早在苏格拉底之前，哲学家就曾经辩论这些想法，但现在物理学家把它弄得更具体。有种说法是，时间可以自宇宙的切割中产生；我们察觉到的时间反映了这些切割区块之间的关系。
你在读着这个句子时，很可能会想着“这一刻”(就是现在)，也就是正在发生的“当下”。此时此刻似乎很独特、很真实。不管你对过去有多少记忆、对未来如何憧憬，你都活在当下。当然，你阅读刚刚那句话的那一刻已经不再，这句才是当下。换句话说，时间似乎在流动，亦即“当下”也在不断更新。在我们直觉的深处，未来是开放的，直到它成为现在，而过去已被固定住了。时间流动时，这种过去固定、现在发生、未来开放的结构不断在时间中前进。这种结构深植于我们的语言、思考和行为中，我们的一生该怎么过正悬于此。
虽然这种想法很自然，却无法在科学里找到相应的语言。物理的方程式无法表明哪些事件正在发生，就像一幅没有标记“你在此处”的地图。方程式中没有“现在”，因此也没有时间流。除此之外，我们可以从爱因斯坦的相对论得知，不只是单一的现在不存在，事实上每一刻都同样真实(参见2002年11月号〈神秘的时间流〉)，未来并不比过去开放。
科学对时间的理解，与我们日常生活对时间的理解有着巨大的鸿沟，这让历史上的思想家大感困惑。一旦物理学家逐渐剥夺我们赋予时间的平常属性，这个鸿沟益形加深。现在，物理时间与经验时间的裂口已深及根基，因为有许多理论物理学家开始认为，时间甚至根本不存在。
时间并非宇宙真实结构的一部份，这种想法刚开始很令人震惊，难以想象它如何说得通。我们所做的每一件事，都是在时间里做的，这个世界就是由时间串起的一连串事件，每个人都可以看到我的头发变白、物体移动之类的事件。我们看到了变动，而这种改变是相对于时间而言的。少了时间，世界就会全然静止。一个没有时间参数的理论，就必须解释：如果世界实际上并没有变动，为什么我们会看到事件的变化。
最近的研究正尝试面对这项挑战。虽然时间可能并不存在于最基本的层次，但它可能在较高的结构中产生：这就像桌子虽然是由一堆内部几乎空空如也的粒子所组成，但摸起来还是很结实。固体是粒子集体浮现的性质，因此时间也可能是由世界某些基本组成浮现出来的性质。
“时间乃浮现的性质”，这种想法有可能和一个世纪前的相对论或量子力学同样具有革命性。爱因斯坦曾说，他在构思相对论时，最关键的进展来自于他对时间的重新理解。而物理学家在追求统一相对论与量子力学的梦想时，他们相信时间一样是个关键。2008年，基础问题研究院(FQXi)针对“时间的本质”举办征文，有些现代物理学的重量级人士也前来参与。许多人认为统一理论描述的会是个没有时间的世界，有些人则极不愿放弃时间这个概念。不过他们都同意，要在统一理论上有进展，必须先对时间做深入思考。
时间的浮沉
过去这段日子里，我们对时间的丰富常识不断受到否定。时间在物理学中举足轻重，但随着物理学的进展，这些功能逐一被其它东西取代。
乍看之下或许并不明显，不过牛顿的运动定律就对时间的特性有些特定要求。原则上，所有的观察者都会同意事件发生有先后顺序。古典物理假设，不管一个事件发生于何时何地，你都可以客观说明，它跟宇宙中另一件事比较起来，是先发生、后发生、还是同时发生。因此，时间让世界上所有事件排列得井然有序，而且这个顺序是绝对的事实，不会因观察者的不同而有所改变。还有，时间必须是连续的，这样我们才能定义速度与加速度。
古典物理中的时间，还必须具备持续的概念(也就是物理学家所说的“度量标准”)，这样才能判定两个事件相隔多久。当我们说奥运短跑选手波特(Usain Bolt)每小时可以跑43公里，我们必须能测量一小时是多久。跟事件的顺序一样，时间持续的长短也是与观察者无关的。如果艾丽斯与鲍伯三点钟离开学校，各走各的，然后六点回到家碰面，那么艾丽斯所经历的时间会等于鲍伯所经历的时间。
基本上，牛顿提议这个世界里有个主定时器，它将这世界以唯一且客观的方式切出某一瞬间，牛顿的物理仅依这座钟的滴答声行走。此外，牛顿觉得时间在流动，其流向告诉我们哪一个方向是未来，不过，这个额外的性质并非牛顿的运动定律必须具备的。
对现代的我们来说，牛顿对时间的诠释可能已经过时了，但稍微想一下，会发现它很令人惊讶。它的许多特征在逻辑上都是不相关的，诸如：顺序、连续性、持续性、同时性、流动与方向，然而它们全被兜在牛顿称为“时间”的这个主定时器里。这些特征组合运作得很成功，所以历经近两个世纪都没受到修正。
19世纪末、20世纪初，攻击来了。第一波是奥地利物理学家波兹曼(Ludwig Boltzmann)的研究，他推论，由于牛顿定律在时间里往前或往后都同样可行，所以时间并没有内建方向。因此，他提议过去与未来的差别不是时间固有的，而是起源于宇宙以不对称的方式在组织物质。物理学家仍在争论这种说法的细节，不过波兹曼已经很有说服力地拿掉了牛顿时间里的一项特征(参见2008年7月号〈时间是双向的吗？〉)。
下一波攻击来自爱因斯坦，他摒弃了绝对同时性的概念。根据他的狭义相对论，事件是否同时发生与你跑多快有关。事件发生的舞台并非时间或空间，而是两者的合体：时空。两位观察者若以不同速度移动，对一个事件在何时、何处发生，会有不同观点，但对其在时空里的位置则没有歧见。时间与空间是次级的概念，如同爱因斯坦的大学老师、数学家闵考夫斯基(Hermann Minkowski)的名言：“这两者必将淡出成为幻影。”
到了1915年，爱因斯坦的广义相对论出现，狭义相对论也被推广到重力的领域，此时事情变得更糟。重力会扭曲时间，所以这里经过的一秒和那里经过的一秒可能不相同。能让时钟同步并持续保持同步，原则上也十分罕见。你无法将这个世界想象成是根据单一时间参数，滴答滴答地逐一开展出来。在极端的情况下，这个世界可能根本没办法被切割成一个个瞬间。如此一来，就不可能说一个事件比另一个事件发生得早或晚了。
广义相对论里有许多函数会用到“时间”一词：坐标时间、局部时间(proper time，又称“原时”)、全域时间。总的来说，它们执行了许多牛顿的单一时间所做的事，但个别来说，没有一个配得上这个名词。要不就是物理不听从这些时钟，或者是即使听从，这些时钟也只适用于宇宙里的一小块区域或特定的观察者。虽然现在的物理学家认为时间应该要从统一理论中剔除，但我们很有理由说，时间自1915年就消失了，只是我们尚未完全领悟到这件事。
(摘自台湾《科学人》2010年第101期 文／卡伦德(Craig Callender) 翻译／张明哲)