钟点的终点？

编译 高原兴 谢懿

约一个世纪前，两位伟人就时间的本质展开了辩论。其中一位是法国哲学家、超级巨星亨利·贝格松（Henri Bergson）。他露面时，粉丝们蜂拥而至，造成纽约百老汇交通拥堵。贝格松相信，时间的意义超出了时钟测量结果的范畴，还有数学和心理学解释。他还认为，只有哲学才能揭示人类对时间的体验，即持续长短和方向性。

贝格松的反方是物理学家阿尔伯特·爱因斯坦。在提出了相对论后，爱因斯坦相信时间是一种独立于人类意识的物理实体，可以加速或减速。他认为，时间和空间交织在一起，在静态宇宙中没有明确的过去、现在和未来。

即使到了100年后的今天仍在激烈地争论，为什么人类所感知的时间与物理学中的时间如此迥异。现在有新的线索开始暗示，测量时间的装置可能对找到上述问题的答案至关重要。

这些线索来源于广义相对论。在该理论中，时钟被视为完美的理想装置。无论放大多少倍，时钟的读数都连续而准确，但实际情况并非如此。时钟是由物理器件组成的装置，不可能理想化。更真实地了解时钟也许是最终认识时间的关键。

任何变化的事物都可以用来测量时间。日晷利用太阳的移动，水钟利用水的流动，甚至由一杯茶的温度都可以估计出它是什么时候沏的。现如今，广为使用的是精密的机械钟和原子钟。它们能以特定的频率可靠运转，精准度远远超出了一杯茶的水平。

自17世纪天文学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）发明第一台摆钟以来，时钟的精准度一直在稳步提升，成就非凡。当前最先进时钟的精准度极高，200亿年内偏差不会超过1秒，这样时间跨度已经超过了宇宙的年龄。尽管性能极佳，但代价也极为巨大。

时钟的正常运转需要能源。老爷钟必须上发条，挂钟则需要电池供电。最精准的原子钟则需要由高功率激光驱动的原子改变能级时所发出的电磁信号来走时。

这不足为奇。但最新研究表明，除了能源之外，时钟的运转可能还与其他因素有关。若时钟作为一种热力学机器，内在的物理学规律会限制其基本性能。这不仅意味着测时精度可能会受限，对哲学家思考时间的方式也会产生重大影响。

热力学机器有两种。第一种是热机，热力学决定了其效率最大值，例如冰箱和内燃机。第二种则是信息存储设备，例如脱氧核糖核酸和硬盘，热力学决定了从其中删除信息的成本。如果时钟是第三种热力学机器，熵决定了其时间测量的精准度。

在熵的概念出现前，1824年工程师萨迪·卡诺（Sadi Carnot）就确定了热机的最大效率。他的计算为发现热力学第二定律铺平了道路。该定律称，对于任何封闭系统，即没有物质流入或流出的系统，熵作为无序性或随机性的一种度量，会随着时间的推移而增加。

低熵意味着高有序性。在一个密闭的盒子里，如果原子都聚集在某个角落，而非无序地散布其中，那么该系统的熵就很小。然而，有序排列原子的途径少于无序排列的情况，即无序排列的可能性更大，因此诸如宇宙这样的封闭系统会变得无序。一杯热茶会向周围散发热量，导致总熵值增大，但茶水绝不会自发升温。由此产生了时间之箭。

热力学第二定律是唯一一个在时间上不可逆的物理定律，正因如此，热力学被用来解释时间之箭。但是，热力学第二定律并非事情的全部。为什么人类所感知的时间总是向前流淌仍是一个问题。今天的许多物理学家认为，这可能只是一个幻觉。

如果热力学的时间之箭能与时间的实际测量联系起来，那么热力学会有助于解释人类究竟是如何感知时间的。这里所需要的是热力学和守时之间的直接联系，用它可以解释为什么随着宇宙的熵增所有的时钟都朝着同一个方向运行。只有找到了这种联系，也许才能回答爱因斯坦和贝格松所辩论的一些问题。一部分致力于此的科学家把目光转向了时钟。

几年前，有物理学家开始试图探究时钟的本质。他们把量子时钟建模为一个易于追踪能流的简单系统，并设计出了三原子时钟系统。该系统包含一个冷原子、一个热原子和一个借由前两者间能流来走时的原子。2017年公布的结果显示，精准度越高，其消耗的能量就越多。尽管这是一项重大发现，但仍然停留在纯理论层面。直到2020年，相关的实验才就绪。

科学家用一片悬挂着的、厚约50纳米的氮化硅薄膜制作了一个简单的摆钟。相比单摆，它其实更像一面鼓。鼓膜的每一次振动都对应于时钟的一次走时。外加电场可以增大鼓膜振动的幅度。为了确定时钟的精准度，也就是走时的规律性，这面鼓被连接到了一个带有电压表的电路上。整个实验装置非常精妙。

该实验证明，鼓膜接收的能量越多，走时越精准，产生的熵也越多。由于时间测量会导致不可逆的熵增加，这是首次对时间向前流淌的原因作出解释，并给出了热力学时间之箭和感知时间之间的明确联系。

它也加深了对时间和热量之间严格关系的认识。简单来说，如果没有热量，就无法区分过去和未来。上述实验支持了热时间假说。该假说认为，时间是由人类宏观尺度的热力学定律所产生的，与微观尺度无关。

关键的是，该研究还证明，并非只有人类能体验到时间之箭。 测量时间的无论是有意识的人，还是探测设备，其实并不重要，熵都会增加。也就是说，人类对时间的感知并不是意识的结果，它可能从物理上就构建在守时的过程中。如果这样，贝格松的观点就会站不住脚，而爱因斯坦对时间是一种物理实体的观点则是正确的。

这并不是第一次研究能量消耗和时钟精准度之间的联系。海洋蓝藻体内的生化钟也存在类似的关系，能帮助它们在日出之前合成光合作用所需的化学物质。然而，蓝藻是生命体，并非机械时钟。因此，除了受限于能量外，其时钟的精准度可能还受到了生物演化的影响。

不过，这些规则似乎并不适用于所有时钟。精准度最高的原子钟比理论预言的更加高效。由于这些钟由复杂的电路、探测器和反馈组成，因此难以对它们的能流建模。

如果能证明原子钟也遵循能量消耗和精准度之间的关系，其意义将超越证明时间之箭独立于人类意识。时钟和热力学之间的联系可能也会反映在更小尺度上的时间里。如果时间测量的精度存在极限，那么这是否意味着时间本身并非是完全连续的，而是离散的，就像光由光子组成一样。

回答这个问题会很棘手。要想探测目前最好的粒子加速器也无法企及的时空最小尺度，需要巨大的能量。当能量高到一定程度时，则可能会制造出一个黑洞，破坏整个实验，表明不可能无限制地分辨时间。对于时间间隔的测量存在基本的限制。这可能与由热力学导致的限制有关，但目前尚不清楚两者的联系。

在微观时间尺度上探测时间不但令人兴奋，还与量子力学和测量问题相关。不同于在相对论中时间具有局部和相对特性，量子力学假定存在一个全局的背景时间。量子力学钟不存在时间之箭。时间无论向前还是向后，量子力学的方程都成立有效。但有时这一可逆性会被打破。在测量一个量子系统时，测量行为会导致该系统从一个混合有不同可能状态的叠加态坍缩成一个特定的输出结果。这个过程是不可逆的，由此产生了时间之箭。时间究竟是如何既包含又不包含时间之箭的，是量子力学的众多谜题之一。但如果热力学可以解释人类感知的时间之箭，或许它也可以用于解释量子力学的时间之箭。

要测量，就必须施加作用。但在量子力学中忽视了这一过程的本质。测量行为应该会产生一股可以用热力学定律来描述的能流。测量也许本质上就是热力学第二定律的体现。类似于时钟，量子力学测量可能也会造成熵增加，形成时间之箭。

另一方面，这些研究还有助于检验一些意在调和量子力学与广义相对论的量子引力理论。但相关的实验极其困难。由于引力场十分微弱，一种方法是让大质量物体处于量子叠加态来探测引力效应，但目前只在最多由2 000个原子构成的分子上实现了这一点。另一种方法就是使用量子时钟来开展超高精度的测量。如果能制造出在短时标上也极为精准的时钟，就相当于在实验室里布设了一个可检验引力效应的量子实验装置。

任何意图解释引力和量子力学的理论都必须能描述时钟在量子尺度上的运转。认识时钟的本质，了解量子力学和相对论与时钟之间的相互作用，可能是统一这两种理论的重要步骤。

贝格松和爱因斯坦的辩论使得广义相对论与诺贝尔奖失之交臂。诺贝尔奖委员会主席表示，虽然情况很复杂，但法国著名哲学家贝格松公然挑战这一理论却是尽人皆知。最终，爱因斯坦因光电效应而获奖，后者自然少了些独特性。但100年后的今天，爱因斯坦似乎才是真正的赢家。下一个问题则是能否找到一条统一广义相对论和量子力学的道路。只有时间才能回答。

资料来源 New Scientist