時間存在嗎？熱力學認為熵增能證明時間流逝，量子論時間有點亂！

2020-10-18 星辰大海種花家

古希臘偉大的哲學家亞里斯多德曾經對時間有過定義，他認為：「時間是關於前和後的運動的數」，因為運動有連續性，因此先後表示了時間流逝的本質！同時他也認為「時間既不是運動，也不能脫離運動」，事實上亞里斯多德對於時間的認識是非常深刻的，從他的觀點來看，時間並不能脫離空間存在，因為運動需要物質和空間的支持！

牛頓的絕對時空觀

牛頓在關於時間和空間的認識上開了倒車，他在發表的《自然哲學的數學原理》中表達了他的絕對時空觀，他認為時間和空間是分離的，時間和空間之間沒有相互關係，兩者獨立，無論空間是否存在，時間都是單獨流逝的，簡單的說，空間和時間的關係就像住房與租客，兩者並不是一個整體。

這個觀點非常貼合我們的日常認識，一直以來的直覺就是這樣，比如一個物體存在與空間中，只要不去動它，它永遠都會在那裡，無論時間過去多久都一樣，與時間之間並沒有存在特殊的關係。因此牛頓的絕對時空觀非常容易被接受，繼而在牛頓之後生根發芽，統治了科學界長達300年！

愛因斯坦的相對論時空觀

早在愛因斯坦出生之前，勒維耶就已經發現水星的軌道非常奇特，計算的進動值總是小於實際觀測，在牛頓的絕對時空觀中，能對水星軌道產生影響的只有其他行星的引力攝動，因此天文學家都在尋找水星內側的那顆祝融星，但結果大家都知道，祝融星不存在！

這事情得半個世紀後的愛因斯坦推出廣義相對論才會解決，因為牛頓的絕對時空觀認為空間和時間是分離的，質量在平直空間的行為只會受到另一個質量的引力作用，但事實上質量在空間中彎曲了空間從而表現為牛頓的萬有引力，同時在質量體周圍的時間也有影響，因此水星的運動才會如此怪異！

就如廣義相對論發表後預言的星光被太陽引力彎曲一樣，其實用牛頓的萬有引力公式也能計算出光子（靜止質量為零，但有動質量）彎曲的角度，但只有實際角度的一半，因為它沒有考慮時空的彎曲。

相對論認為時間可以被壓縮，也可以膨脹，但無法倒流。

亞里斯多德似乎歪打正著？至少在一個整體的認識上還是有些相同點的！

光子的時空觀

對於光速運動光子來說，時間對它來說並不存在，即使它是宇宙大爆炸後的第一縷光。相對論時空觀告訴我們，光速運動下時間是停滯的，它已經能夠鍾慢效應發揮到極致了！所以對於光子來說，無所謂時間，但它需要時空才能延伸，它也成了外部觀測者衡量時間的一種方式，比如我們可以通過它頻率的紅移了解到它大概是從宇宙膨脹的哪個位置發出的，因此也就知道了它出發的時間！

所以一顆光子並沒有多少信息，但它的紅移頻率與其他觀測數據一起，就成了時間的見證者。

量子力學下的時空觀

量子論的發展似乎有些讓時間有些不知所措，因為概率論和不確定性原理使得因果論和決定論已經破產，這也是愛因斯坦為之奮鬥一生的連續性和因果論，因此在量子論發展的數十年間，他一直不遺餘力的試圖讓量子論回到傳統的軌道上來，但很可惜，量子論與愛因斯坦的信仰越來越遠！而且在1979年惠勒提出的一個延遲雙縫幹涉實驗中，似乎能讓時間回到過去？

雙縫幹涉實驗大家都很清楚，光子或者電子通過兩狹縫時會產生幹涉形成條紋，然後我們一旦展開探測，這個幹涉條紋就會消失，確實量子世界中的一些行為有些嚇人，居然探測會影響沒有任何思想的光子或者電子的行為，難道光子或者電子有意識？當然不是，因為光子和電子可以用一個波函數來描述它們，一旦展開探測，這個波函數就坍縮，所以我們只看到了一個結果！好吧，我們姑且就這樣理解！

但延遲雙縫幹涉實驗就更嚇人了，如下圖，用半鍍銀的反射鏡代替雙縫，將會有一半光子通過反射鏡，一半則被反射，這是一個量子隨機過程，再通過全反射鏡匯聚到半反射鏡。終點處半鍍銀反射鏡處匯聚後會產生光子的自我幹涉，只要調整好相位，就能保證一個確定方向上的輸出，因此每次都能得到一個確定的結果，因為根據量子論，光子必定是沿著兩條路徑而來。

那麼問題來了，如果不插入末端半反射鏡，那麼光子必定是沿其中一條路到達探測器，因為一半一半嘛，但如果插入半反射鏡，那麼光子必定是通過兩條路到達反射鏡，因為幹涉了嘛！那麼問題來了，如在光子從第一塊反射鏡後，在第二塊反射鏡插入之後，光子在哪裡？在這裡時間似乎不起作用了，因為半反射鏡的後續介入可以幹涉光子在第一塊反射鏡上的路徑選擇，這不是因果律崩潰麼，時間還存在嗎？

熱力學下的時空觀

熱力學中的熵增代表了時間的方向，整個宇宙中無序度的增加是不可避免的，而且無法反方向操作，比如一塊破碎的鏡子無法復原，當然我們可以重新製造以回到一塊鏡子的初始狀態，但為之消耗了更多的能量，會讓無序度增加更甚，它也已經不是原來的那塊鏡子。

因此從熱力學的角度來看，時間是存在的，那麼是否可以反過來理解，時間其實只是一個熵增的表現而已，無論你是否感覺得到時間在流逝，但你的身體就在走向無序化，或者說你的身體有序的同時需要很多無序來支撐。

很多朋友以黑洞或者光速飛行的飛船內部時間停滯來舉例時間不存在，但問題是即使我們在黑洞內部，我們還是會覺得肚子餓了，這個時間停滯只是對外界觀察者而言，對於自身，時間一樣在流逝，無論如何都無法讓時間停止運行。

相關焦點

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    儘管我們都認為時間正在流逝，並且是只能朝一個方向，但時間的最神秘之處就在於，為什麼它只有這一個方向？現代科學認為，時間是物質的三維運動對我們大腦影響形成的，只有物質和空間的存在，時間才能演化。時間是永不停頓的大自然節拍器，為每一個事件留下印記。如果要某個人挑出時間有別於空間的最特別的性質，他首先可能舉出時間會流逝，其次可能會說，時間只能單向流逝而不可逆轉。
  • 科普|《信條》——熵增定律 時間倒流 做自己的「麥克斯韋妖」
    導演將「熵」這一概念與時間相結合，設定了「熵增的方向與時間流逝的方向相同」這一指導思想。提到熵增定律，我們首先要了解一下熱力學的三大定律。熱力學第一定律：能量守恆定律：一個熱力學系統的內能增量等於外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。(如果一個系統與環境孤立，那麼它的內能將不會發生變化。)
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    一、熵增定律的世界，令人絕望的真理 電影中有一個貫徹始終的設定與理論基礎。導演將「熵」這一概念與時間相結合，設定了「熵增的方向與時間流逝的方向相同」這一指導思想。提到熵增定律，我們首先要了解一下熱力學的三大定律。
  • 如何定義時間的流逝?
    在牛頓看來，時間的長河是筆直、連續且始終如一的，它從不偏離，並始終以相同的速度流逝，以自己的這種方式帶著世間萬物同行。在愛因斯坦看來，時間「並沒有這麼穩定，時間的長河蜿蜒曲折，會在恆星和星系周圍加速或者減速」。到了1949年，哥德爾發現時間長河中還可能存在漩渦，這就是所謂的「閉合類時曲線」，他眼中時間的流逝有著美麗複雜的漩渦。
  • 熵增能否確定時間的方向——《信條》中的科學問題（中）
    文 | 陳思進 在上文《熵減會引發時間倒流嗎——《信條》中的科學問題（上）》中，我談了諾蘭的新科幻大片《信條》中最主要的科幻設定——熵會隨著時間的流逝自然增加，但並不是說，熵減會引發時間的倒流，熵和時間並不是這樣對應的。
  • 時間在宇宙誕生前就一直存在嗎?為什麼說時間掌控宇宙萬物的衰亡?
    ，宇宙萬物都逃不過時間的掌控，我們人類能以正常的生命感受到大約100年的時間流逝，我們身邊的任何物體都會漫長的時間長河中最終散落成一堆原子（如果這堆原子想要從無序的狀態轉變為有序的狀態，就需要外來能量的幹預），就連我們認為一直可以穩定存在不會發生衰變的的質子，也有可能在10^30年後衰變為更輕的次原子粒子，質子的衰變是大統一理論預言出來的，目前並沒有得到證實。
  • 熵減有可能存在嗎？時間是否可以倒流？
    ，發掘出時間流逝的不可逆性。傳統的觀點認為，時間箭頭並不源自引力，而是熵增。熵，是衡量系統無規律程度的量。熱力學第二定律（下稱「熵增定律」）告訴我們：孤立系統的熵不可能減少。熵是在保持宏觀狀態不變的情況下，所有微觀粒子可能的狀態數目。
  • 《信條》沒問的問題:時間流逝是錯覺嗎?
    他將永恆論的塊體宇宙沿著時間軸切割，又將切片分散在永恆的宇宙裡（他稱之為「柏拉圖尼亞」，Platonia）。巴伯認為，所有可能的時刻（也就是，構成時間中所有時刻的物質的一切不同配置），都以靜態的「現在」形式而存在。
  • 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？
  • 時間真的能倒流嗎？熵逆燃燒真的會結冰？淺談《信條》中的熵逆向
    熱力學第二定律也為時間指明了方向性，長久以來，一直沒有一個理論為時間指明方向。雖然我們明顯能感受到時間是有方向的，但是基本上所有物理學定律，並沒有體現方向性這個問題。時間正向流逝和反向流逝，在物理上也不會有任何特殊性，沒有什麼定律規定時間必須要往前走，而不是後退。熱力學第二定律為時間指明了方向，那就是時間向著熵增的方向流動。比如你在影片中看到融入一盆水中的墨水自動融合出來成了一滴，那就是電影是倒著放的。
  • 時間是真實存在的嗎？
    再說，如果早期宇宙連時間這個概念都不存在，那它又如何能夠膨脹、稀釋和冷卻的呢？或許你會認為，就算時間無法測量，至少在抽象意義上，時間這個概念也依然存在。不過一個無法被測量的量在理論上是否真的存在，這值得質疑。從科學的角度來說，以牛頓為代表的經典力學體系的出現標誌著「時間概念的誕生」。
  • 物理學家用量子計算機逆轉時間之箭,這違反熱力學第二定律嗎
    時間朝著一個方向前進：小男孩會變老，但老人不會再變年輕；茶杯會碎，但不會自發地重新組合。宇宙的這種殘酷而不可改變的性質，被稱為「時間之箭」，從根本上說是熱力學第二定律的結果。該定律指出，隨著時間的推移，系統總是會變得更加混亂。
  • #熱力學與能量守恆
    根據熱力學第二定律，隨著時間流逝，熵值總是增加的。即使黑洞也遵循這一定律的某個版本。黑洞的熵值與其事件視界的面積成比例。換句話說，黑洞的表面積，和黑洞外所有物質的熵值，都會隨時間增加。用來描述黑洞熵值的公式由雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和史蒂芬·霍金共同提出，被稱為廣義第二定律（Generalized Second Law，GSL）。
  • 「熱力學與時間」系列之六:時間的開始與終結和熱力學第三定律
    答曰：熱力學。物理概念哪一個最不清楚？答曰：時間。如果有人說熱力學和時間是緊密相關的，也許您更迷惑。「京師物理」公眾號特邀請趙崢老師解讀熱力學四個定律以及它們與時間的緊密關係，本文是第六篇。]  時間有起點和終點嗎？彭若斯和霍金提出並證明的「奇性定理」指出：奇點應該看成是時間開始或終結的「地方」！
  • 量子計算機實現了「時間倒流」!
    時間只是一種幻覺人類痴迷於時間：我們的語言裡充斥著時間的各式隱喻和典故，但卻經常消磨時間直到所剩無幾，或是認為時間不過是一種錯覺。所謂的「量子引力」理論是在試圖將量子力學和廣義相對論結合起來，對重力場進行量子化。
  • 時間究竟是什麼?科學家認為時間可能並不存在,變化的只有空間
    從科學的角度來說，時間是宇宙重要的組成部分，因為時間的存在宇宙才有了意義，否則時間停滯，宇宙可能永遠都只是一個「奇點」，不會發生大爆炸，炸出整個宇宙。因此，時間的起點就是宇宙大爆炸的一瞬間，因為現代科學還無法研究在宇宙大爆炸之前存在什麼，所以科學家普遍認為，時間是從大爆炸開始的瞬間計算的。