宇宙的時鐘可能比我們想像的要大:時間有流逝感,但時間是什麼?

2020-11-29 土土土衣食住行

最小的可想像的時間長度可能不大於百萬分之一的十億分之一秒。這是根據一種新的理論,它描述了宇宙具有一種基本的類鍾特性,其時鐘速率會與我們最好的原子計時器有相似之處。

這樣的想法可以幫助科學家們,提出更接近於做實驗來闡明萬物的理論,這是一個將20世紀物理學的兩大支柱相協調的總體框架——量子力學,它著眼於現存最小的物體,而阿爾伯特·愛因斯坦的相對論則描述了最大的物體。

我們大多數人都對時間的流逝有某種感覺。但時間到底是什麼?

「我們不知道,」賓夕法尼亞州立大學的物理學家馬丁·博喬瓦爾德說:「我們知道事情會發生變化,而我們可以用時間來描述這種變化。」

他補充道,物理學提出了兩種相互矛盾的時間觀。其中一個來源於量子力學,把時間看作是一個永不停止且以穩定速度流動的參數。另一個來源於相對論,它告訴科學家,對於兩個以不同速度移動的觀察者來說,時間可以收縮和膨脹,而這兩個觀察者對於事件之間的間隔會有不同的看法。

在大多數情況下,這種差異並不十分重要。量子力學和相對論所描述的獨立領域幾乎沒有重疊。但是某些物體,比如黑洞,將巨大的質量凝聚成一個不可思議的小空間,如果沒有量子引力的一切理論,就無法對其進行完整的描述。

在量子引力的某些版本中,時間本身將被量子化,這意味著它將由離散的單位組成,這將是時間的基本周期。這就好像宇宙中包含了一個底層場,它為它內部的一切設定了最小的時鐘速率,就像著名的希格斯場(以物理學家彼得·希格斯姓氏為名,是一種假定遍布於全宇宙的量子場),它產生了希格斯玻色子粒子,而希格斯玻色子粒子又給其他粒子帶來了質量。但對於這個宇宙鍾來說,「它提供的不是質量,而是時間……」

通過建立這樣一個通用時鐘的模型,科學家們能夠證明它將對人類製造的原子鐘產生影響,這些原子鐘利用某些原子的鐘擺式振蕩來提供我們對時間的最佳測量。根據這個模型,原子鐘的節拍有時會與宇宙鐘的節拍不同步

這將限制單個原子鐘時間測量的精度,這意味著兩個不同的原子鐘可能最終在時間跨度上存在分歧。物理學家還指出,鑑於我們利用最好的原子鐘,能夠測量10^(負19)秒的節拍,或者十億分之一秒的十分之一,那麼基本時間單位不能大於10^(負33)秒。

比利時布魯克塞爾大學的量子物理學家埃斯特班·卡斯楚·魯伊斯說:「我最喜歡的理論是模型的整潔。他們得到了一個實際的界限,你可以在此原則上進行衡量,我發現這有點不可思議……」

他補充說,這種類型的研究往往非常抽象,因此很多研究者很迫切能看到一個具體的結果,以及對量子引力的觀測結果,但這意味著該理論有一天可以被質疑。

研究人員表示雖然證實這樣一個基本時間單位的存在,超出了我們目前的技術能力,但它比以前的建議,如普朗克時間更容易獲得。根據之前的說法,普朗克時間從基本常數出發,將最微小的可測量時間單位設定為10^(負44)秒,即十億分之十的十億分之一秒。

是否有一段時間比普朗克時間還要短,因為量子力學和相對論都不能解釋在這個尺度下發生的事情。在這些單位之外談論時間是沒有意義的,至少在我們目前的理論中是這樣。

由於宇宙本身最初是一個微小空間中的一個巨大物體,隨後迅速膨脹而成。然而,宇宙學觀測,如對宇宙微波背景(宇宙大爆炸遺留物)的仔細測量,可能有助於將基本時間段限制在更小的水平上。

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  • 宇宙中存在一個基本時鐘?
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  • 時間到底是什麼?
    你有沒有想過時間究竟是什麼?看到最後,你會對時間有全新的理解。如果將宇宙視為封閉系統,則其熵將永遠不會降低。換句話說,宇宙無法返回到與之前相同的狀態,時間因此不能倒退,這便是廣為人知的熵增定律。 在古典力學中時間無處不在,始終如一。但是從愛因斯坦的相對論中我們可以知道時間是相對的,這取決於觀察者的參考系,這可能導致時間膨脹,如果其事件之間的時間越接近光速,事件之間的時間就會變的更長,這便是時間膨脹。
  • ...時間到底是什麼,是可逆的嗎?有沒有可能我們的時間本身就在逆行?
    時間是什麼?我們來做一個遊戲,盯住下面的動畫至少20秒,然後看下面的宇宙背景圖。 我們可以通過另外一個概念位置(空間)來確定。 時間的方向 有兩個相機對著你和我,當我們從a移動到b時,兩個相機的快門總是同時按下,不斷拍照,並且瞬間就列印出來。如果相同快門下的每一張照片位移距離(包括方向)相同,那麼我們就是相對靜止的。
  • 時間旅行可能需要一段時間
    「我們有一個物理學理論,即廣義相對論,即我們的引力故事,隨著時間的推移,它變得非常酷。您可以構建特殊的情況,讓您時光倒流,但是,物理學的其他每個領域都說,不,您不能時光倒流。那麼,哪個是對的?」周一,來自澳大利亞昆士蘭大學的研究小組報告說,他們可能在數學上設計了解決時間旅行的主要障礙之一的解決方案。
  • 物理學中的時間悖論
    但所有的這些不確定行為都發生在一個確定的「舞臺」上,即空間和時間均確定。事實上始終需要有一塊可靠的時鐘,來記錄發生的一切以便物理學家們描述系統變化的機制。至少這是目前量子力學方程建立的方式。這也是問題的癥結所在。物理學家要怎樣將引力定律合併起來呢?即如何在量子力學定義的亞原子規則中,無需特定的時鐘前提,也能很好地吻合牛頓時間框架?
  • 時間旅行到未來是完全可能的?
    時間旅行真的可能嗎?信不信由你,時間旅行是可能的。你真的是在穿越時間,就像你穿越空間一樣。這看起來有點迂腐,但這是一個非常重要的現實。時間的運動仍然是運動,你正在到達你自己的未來。如果你願意,你可以及時向前跳。當然,首先你需要先做一點準備工作。通過愛因斯坦狹義相對論的物理學,我們知道你可以用空間中的運動來換取時間中的運動。如果你完全靜止不動,你就在以一種特定的速度(光速,對於那些好奇的人來說)穿越時間的維度。
  • 科學家:幾十億年後時間將停止!到時我們人類將何去何從?
    而在狹義相對論中,一個具有相對運動的時鐘的時間流逝要比相對靜止的時鐘的時間流逝得慢一些。那麼時間到底是什麼?而另外的科學家經過一些研究後則表明,時間正在逐漸變慢,甚至將可能在幾十億年後最終停止。不過,不管怎麼說,他們所認為的時間流逝速度都不是固定的,那麼既然有時間這個概念,就應該有出現時間的最初源頭,所謂有始有終嘛!那時間到底是什麼時候才開始有的呢?
  • 時間到底是什麼?它有起點嗎?時間旅行可能嗎?
    我們誤以為時間是非常基本的東西。我們認為,時間讓宇宙的生命在滴答聲中漸漸流逝,一刻不停。這種對時間的理解是錯誤的,或者說,只是略微接近真相。真相要複雜得多。 這並不是說,普通人對時間的理解是完全錯誤的,只是這種理解在有限的條件下成立。這就像認為地球是平的一樣。如果我們只在(地球表面的)一小塊區域上移動,我們完全可以認為地球是平的。
  • 如何理解《信條》中「熵」的體現,時間逆轉有可能嗎?
    諾蘭導演一向熱衷「時間」主題,這次更是玩出了新境界——同一空間內同時存在「正向」和「逆向」行進的事物奇觀,簡單粗糙地說就是「局部時間倒流」,給我們帶來了驚妙的觀影體驗。這就來和大家探討一下,現實世界中的時間為什麼只能是向前發展的?時間逆轉有可能實現嗎?
  • 從廣義相對論推斷出宇宙必須有一個開端,而且可能有個終結時間
    在速度慢的世界裡確實不可能,但是在速度快的世界裡,速度快到可以跟光速相比的時候,這事兒就可能了。例證:1905年,愛因斯坦用狹義相對論說明了這個可能性,狹義相對論包含以下兩個基本原理相對性原理,相對性原理:不管觀察者處於什麼運動狀態,物理定律不變。