《时间》 田牧歌解读
《时间》| 田牧歌解读
你好，欢迎每天听本书，今天为你解读的书是意大利物理学家、诺贝尔物理学奖得主奎多·托内利在2021年的著作《时间》。这是一本从物理学视角，深入讨论时间本质的科普书。
每到年关岁首，我们都免不了感慨一句，时间过得真快啊！在过去的一年又一年里，我们每天都在时间的指导下，准时起床、工作、吃饭、睡觉。我们生活在时间里，没有人不熟悉时间，既然如此，那这本讨论时间的书，又能给我们带来什么新的认知呢？
我觉得，时间特别像一座漂浮在海面上的冰山，它显露出来的表象，所有人能看得清清楚楚，手机里的闹钟、表盘上的指针，都是时间存在的直观表现。但如果进一步去问，时间到底是什么，我们看到的是否就是时间的全貌？恐怕就很少有人能给出答案了。要想真正了解时间，看清这座冰山隐藏在海面下的样子，就必须切换视角，用更透彻的理论工具去进一步探索。
实际上，直到20世纪，随着相对论和量子力学等学说的蓬勃发展，随着物理学逐渐向人们揭示支配世界运行的基本规律，人们才逐渐接近时间的本质，才发现原来时间并不是隐藏在我们身后永恒不变的背景板，而是一个有始有终、可长可短、和物理空间紧密相关的存在。
通过这本书的讲述，我们能破除许多关于时间的错误认知。比如在我们的直观感受中，时间是匀速流动、永恒不变的，所以就很容易得出结论，认为时间天然就有匀速流动的属性，不管在宇宙里的哪个角落，时间都是那个不变的大背景。但本书作者告诉我们，真正的时间远非如此，它可快可慢、可长可短，随时处在变化当中。只有抛开对时间的惯性思维，我们才能看清时间的真正模样。
这些关于时间的新认知在书里还有很多，而帮我们重新认识时间的，正是任教于比萨大学的奎多·托内利。托内利的主要研究领域是粒子物理学，他因为在希格斯玻色子的发现中作出过突出贡献，而荣获了2013年诺贝尔物理学奖。同时，托内利还是恩里科·费米奖、基础物理学特别突破奖等多个奖项的荣誉得主。作为世界顶级的物理学家，托内利亲自下场带我们认识时间，权威性自然毋庸置疑。
相对论和量子理论是当今物理学界的两大支柱理论，它们分别描述了宏观和微观尺度下的物理世界，本书正是从这两大理论出发，为我们展示了时间在不同尺度下的神奇性质。那么接下来我们也按照这个逻辑，分别从宏观和微观的视角，来深入谈谈时间到底为何物。
让我们先从相对论的宏观视角开始谈起。
现代物理学不是一夜诞生的，人们对时间的认识程度，深受时代发展的影响。在文明出现之前，人类其实早就有了对时间的基础感知，我们的身体被天然内置了一座时钟，周期是一天24小时，无论是日常行为、新陈代谢还是身体运作，我们生理机能的一切都和这24小时的周期同步。
后来随着文明的演进，人类开始从科学的角度认识和计量时间。从公元前2000年起，亚述—巴比伦人就开始使用一种月亮历，他们把一年分成了12个月，一个月包含29或30天。后来到了公元前8世纪，也是这群人，又把一天分成了24等份，把1小时分成了60分钟。公元前45年，古罗马执政官尤里乌斯·恺撒颁布了一种名为“儒略历”的全新历法；1582年，教皇格里高利十三世将儒略历修改形成了“格里高利历”，并由欧洲人将之推广到全世界。直到今天，格里高利历仍是通行于绝大多数国家的主流历法。
在学者们完善历法的同时，能工巧匠们也在不断发明和改进时间的计量工具。从日晷到教堂钟楼上的机械钟，从只有时针的钟表到时针、分针、秒针俱全的高精度机械表，人们对时间的计量越来越精确。工业革命后，时间更是渗透到了工作生活的方方面面，人们越来越重视和依赖时间，并希望通过更精确的时间来掌控一切。
这时人们对时间有一个基本认识，那就是时间具有绝对性，无论在哪里，无论什么时候，时间的流动都是完全一样的。就像伟大的艾萨克·牛顿说的：“绝对的，真正的，数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与其他外界事物无关地流逝着”。可见在牛顿的认识里，时间就是一种永恒不变、不被干扰的存在。
在很长一段时间里，牛顿的观点都被奉为圭臬，因为当时不管什么实验什么观察，似乎都证明了牛顿的正确性。但到了20世纪初，事情出现了变化，爱因斯坦首先意识到，如果人们把时间看成绝对的，与物质没有任何联系，那我们就会陷入一个巨大的矛盾当中。
这个矛盾来自光速不变现象。在我们的常识里，速度是可以叠加的，比如站着扔出去一块石头，石头的速度为2，如果扔石头的同时还在跑步，跑步速度为1，那扔出去的石头，速度就会变成2+1，也就是3。但后来科学家们发现了一个怪事儿，那就是光速无法叠加，永远是恒定的，大约是每秒30万公里。不管光源怎么移动，射出去的光线，速度都只会是光速，不会加快也不会变慢，就算人坐着一个0.5倍光速的飞船，再拿手电射出去一束光，那射出去这束光的速度也还是1倍光速，而不是1.5倍光速。
这样一来，人们就陷入了一个困境，要么放弃光速恒定的假设，要么就得承认，坐飞船发射光束的那个人，所处的时间和空间被扭曲了。光速恒定是一个被无数次实验验证了的客观现象，所以就只剩下一个解释：物体的运动速度会扭曲自身所处的时间和空间。
爱因斯坦在狭义相对论中，将时间、空间和观测者视为一个不可分割的整体，观测者的运动速度越快，他所经历的时间流动速度就越慢，相应地在运动方向的长度就会越短。这就是所谓的钟慢效应和尺缩效应。比如如果张三以0.99倍光速奔跑，那么地面上静止的时钟秒针跳动7下，张三手表上的秒针就只会跳动1下，这就证明，张三的时间流动变慢了，而且在尺缩效应的影响下，奔跑中的张三整个人也会变得更扁。
狭义相对论还指出，只有没有质量的东西，比如光子，才能以光速运动，对于有质量的物体或粒子来说，光速是其速度的极限，可以无限接近但永远不能达到。如果持续加速某个物体，物体的能量会增长，速度会增加，但当速度接近光速、无法继续增加时，外界给物体的能量就会变成物体本身的质量，也就是说，物体的速度越快，它本身的质量也会越大。
爱因斯坦后来提出的广义相对论，进一步拓展了关于时间和空间的结论，他指出，只要是有一定能量或质量的地方，时间和空间便会被扭曲，扭曲的程度取决于能量或质量的大小，而且空间扭曲得越多，时间流动得就越慢。时间和空间紧密相关，二者彼此依存，任何一项都不能独立存在。看过电影《星际穿越》的朋友可能还记得一段情节，主人公前往一颗黑洞附近的星球探索，虽然他们全程只经历了几个小时，但因为黑洞的巨大质量明显扭曲了附近的时空，导致地球上一晃就过去了好几十年。
从相对论的结论出发，我们可以推论，宇宙中的每一个点都有特定的空间扭曲程度，都有特定的时间流动速度。简单概括就是，每个地方的时间流速都各不相同。在此之前，人们之所以没能发现这一点，是因为在日常生活中，我们所处空间的扭曲程度不够大，而且所有宏观物体的运动速度都远小于光速，所以时间流动速度的相对差距实在是太小，小到根本无法感觉到。
举个例子，国际空间站上的宇航员，绕地球运动的速度是每小时28万公里，够快了吧？但这么快的运动速度，只能让他们每一年的时间变慢10.4毫秒，也就是差不多0.01秒。另外，宇航员距离地面408公里，那里距离地球更远，受到的引力更弱，空间扭曲程度更小，所以时间流动速度也就更快，在这种相对论效应的影响下，他们每年比在地面上的时间要变快约1.4毫秒。一快一慢相抵，国际空间站的宇航员每在太空待一年，会比地面上的人年轻0.009秒。这种细微的差距，我们在日常生活中显然是无法感知到的。
总结一下，在牛顿的传统时空观中，时间与空间是绝对的，它们相互独立，与观测者的运动状态无关。但相对论纠正了这种观点，它指出，时间和空间互为整体、不可分割，且与观测者自身的运动状态密切相关。
时间和空间的关系被重新认识之后，人们又有了一个新发现，那就是时间可能有一个起点。1927年，比利时物理学家乔治·勒梅特发现，宇宙的时空其实并不是一成不变的，它一直在不断膨胀，就像一个越吹越大的气球。如果像倒放电影一样逆推膨胀的话，勒梅特推测，宇宙应该起源于一百多亿年前的一个奇特的点，这就是宇宙大爆炸理论的雏形。这一观察后来得到了美国天文学家埃德温·哈勃的印证。在多位学者的共同努力下，人们计算出了比较准确的宇宙诞生时间，即138亿年前，而这也是时间开始的地方。在此之前，宇宙都还没有出现，时间自然也就不存在。
时间有起点，那有终点吗？我们可以猜想，如果宇宙在未来某一天停止膨胀，转而开始收缩，那等它再次收缩成一个点的时候，时间也会迎来自己的终点。不过从目前的观测来看，宇宙的膨胀不仅没有停止的迹象，而且膨胀速度还越来越快，所以这种猜想大概率不会成立。
全宇宙的时间终点或许不会到来，但对单个物体来说，还是有可能迎来自己的时间终点的。我们刚才提到，有质量的物体可以扭曲时空，时空的扭曲程度越大，时间的流动速度就越慢。宇宙中质量密度最大的天体是黑洞，所以黑洞对时空的扭曲程度也最大，大到什么程度呢？
我们再做一个思想实验，假如张三决心进入黑洞冒险，并且拥有一艘足够坚固不会被破坏的宇宙飞船，那从外界观察的话，张三越接近黑洞边界，他手上的手表跳动就越慢，张三本人的行动也会越来越迟缓。等他最终抵达黑洞边界的那一瞬间，他会彻底停在那里一动不动，手上的手表也不会再跳动一分一秒，这个状态会一直保持下去，直到永远。这时候我们就可以宣称，张三走向了时间的终点。
虽然科学家们推断，跨过黑洞边界的张三，仍然能在黑洞内部活得好好的，但因为任何东西都无法逃离黑洞，所以黑洞内部的世界与外部宇宙彻底隔绝，在这里时间没有意义，所以时间的起点或终点也就无从谈起了。
在宏观尺度下，时间还有另一个重要特点，那就是其局部性。
光速是宇宙中最快的速度，光每秒钟可以绕地球飞行8圈，光年是指光在一年中经过的路程，而人类可以看到的整个宇宙，直径长达数百亿光年。也就是说，一束光要想从宇宙的一头飞向另一头，就算宇宙静止不膨胀，那也得花上好几百亿年的时间。所以在宇宙这种巨大的空间尺度下，时间的局部性就会体现得非常明显。
比如距离太阳最近的恒星比邻星，离我们大约4.2光年，也就是说我们现在看到的比邻星的星光，其实是4年前的比邻星发出的。至于此时此刻的比邻星什么样子，我们无从得知，只能再等4年才能看到。同理，当我们用望远镜观察距离我们254万光年的仙女座星系时，看到的其实是254万年前的仙女座星系。也许是一种巧合，当这束星光出发时，一群奇怪的猴子，也就是原始社会的人正在非洲学习使用石器，迈出走向文明的漫漫长路的第一步，当这些猴子的后代研发出精密的望远镜时，这些光子也恰好走完了两个星系间的距离，来到了人类的眼睛里。
抬头望向星空，距离远近不等的天体虽然同时映入我们的眼帘，但这些星光都是在过去的不同时刻发出来的，只不过在同一时间被我们看到而已。我们熟悉的北斗七星，彼此之间其实相距很远，它们中与我们最近的天璇星，距地球约79光年，而离我们最远的天枢星，距地球约123光年。我们在2024年可以同时看到北斗七星，但看到的其实是1945年的天璇星，1901年的天枢星，以及介于这两个时间点之间的其他几颗星。
可见在宇宙尺度下，“此时此刻”的概念没有意义，我们的时间与遥远世界的时间根本不共享，时间只能在局部范围内起到指导性作用，所以时间是局部的。
在宏观视角下，时间与空间不可分割，它有起点和终点，而且具有局部性。那么在量子理论的微观视角下，时间又有什么特点呢？
本书作者托内利是一位粒子物理学家，主要研究的是微观世界的物理规律，而标准模型理论是粒子物理学界最重要的理论之一。这套理论认为，宇宙中的所有物质都是由一些基本粒子组成的。这些基本粒子分为两大类，一类是六种夸克，比如上夸克和下夸克；另一类是六种轻子，包括电子、缈子、中微子等。夸克和轻子原本互不往来，不会主动相互混合，它们需要第三类基本粒子从中调和，才能发生相互关系，比如传递电磁力的光子，传递强力的胶子，传递弱力的玻色子，以及传递引力的希格斯玻色子，等等。
这些专业术语听起来不怎么亲民，不过没关系，我们也不用知道这些粒子都有什么性质，我们讨论的重点是这些微观粒子的寿命，也就是它们能存在的时间，这能帮我们了解，微观世界中时间的长短到底有多极端。
绝大部分基本粒子的寿命都很短，但总有一些天选之子，拥有近乎永生的寿命。比如最常见的电子，寿命就非常长，科学家们估计，电子的寿命不会低于1亿亿亿年，1后面跟着三个亿万的亿，这是什么概念呢？宇宙诞生至今也只有不到140亿年。所以照这么说，不管是我们家里电线中流动的电子，还是在我们指尖中游走的电子，都早在宇宙诞生之初就来到了这个世界上，堪称整个宇宙历史的亲历者，而且直到今天，它们也只是度过了自己生命中微不足道的一瞬间。
和电子相似，质子几乎也是永生的。虽然它不是基本粒子，但质子能稳定存在于几乎任何环境中。科学家们估计，质子的平均寿命可能是电子的十亿倍，它太漫长了，漫长到讨论它的长短已经没有了任何意义。电子、质子等稳定粒子是构成物质世界的基础，它们的存在，标志着微观世界中时间极为漫长的那一端。
不过总的来说，电子、质子这些寿命漫长的粒子只是少数派，绝大多数的微观粒子，寿命只在一瞬之间，它们一旦出现，就会立刻衰变成其他相对稳定的粒子。这个过程是自发的，无法控制，而且发生的概率恒定，不会随时间的变化而变化，我们常用半衰期来表述这种概率。比如某种微观粒子的半衰期是1天，那1天之后，就只会剩1/2的粒子没有衰变，2天后就只会剩下1/4的粒子没有衰变，以此类推。我们没办法预测某个特定粒子的寿命，但可以通过半衰期计算出许多粒子的平均预期寿命。
不稳定粒子的平均寿命取决于让它们衰变的力，如果是在弱相互作用力作用下衰变的粒子，它们的寿命大约是10的负6次方到10的负13次方秒；如果衰变由电磁力导致，粒子的平均寿命就会下降到约10的负16次方到10的负20次方秒；如果衰变由强相互作用力导致，粒子寿命则可缩短至10的负23次方秒左右。通过对比这些粒子的寿命，我们能发现，在微观世界中，时间具有极端性，不是长到近乎永恒，就是短到远不及一瞬。
而且在微观世界里，时间的极端性之上还会叠加明显的相对论效应，让时间显得富有弹性。这又该怎么理解呢？
举例来说，轻子家族中的成员渺子，它的穿透性很强，能轻易穿透几千米厚的岩层，但同时它的寿命却很短，只有约2.2微秒，一微秒等于百万分之一秒，可以说渺子的生命也就只有那么一瞬。渺子大多产生自宇宙中的高能射线，当射线与离地约15到20千米的大气层中的原子撞击时，就会产生渺子。不过在如此短暂的寿命下，就算是渺子以光速运动，最多也只能在衰变前跑上700米，根本抵达不了地面，更别提穿透岩层了。
但奇怪的是，人们经常能在海平面甚至地下深处的洞穴里，探测到稳定的渺子流，那渺子是怎么做到这一点的呢？答案就是相对论效应。从高层大气中产生的渺子，很多都会以99.9%以上的光速进行运动，在这种速度下，渺子的寿命会显著被拉长，达到其静止寿命的25倍以上。这样一来，渺子就有足够的时间去穿越大气层，到达地面甚至更深处了。
类似的现象也发生在人类的粒子物理学实验中。以质子为例，因为质子带一个正电荷，所以只需要给它加上一个电场，它就能获得一个加速度。现代的粒子加速器就是用这种原理来加速质子的，而且为了节约空间，科学家们还把粒子加速器设计成环形，让质子不断地通过同一个加速区，从而不断地被加速。
为了获得实验数据，实验物理学家们会先加速质子，让质子在加速器中不断发生碰撞，并记录下碰撞后的各项数据，有时一次实验就会持续一整天。虽然实验的持续时间看起来很长，但对于在加速器里飞行的质子来说，实验过程只是弹指一挥间。为什么这么说呢？
因为在加速器的作用下，质子的速度会逐渐接近光速，从光速的99%，到99.9%，再到99.99%，速度越快，根据相对论效应，质子的时间流速就会越慢。假如质子戴着一块表，那科学家们就会发现，质子明明已经在加速器里运动了24小时，但在质子自己看来，它可能才飞行了13秒，实验还没尽兴呢就结束了。
粒子加速器几乎是人类能制造出的最先进的实验仪器，但和宇宙中的天然粒子加速器相比，完全就是小巫见大巫。比如处于狂暴期的超大质量黑洞，它能从两极喷射出大量接近光速的粒子，这些粒子是宇宙中最强大的高能射线。因为速度无限接近于光速，这些高能粒子的相对论效应极为夸张，它们本身的质量会增长千亿倍，而且时间流速也会慢到几乎停滞。有多慢呢？假如有这么一束高能粒子，从距离地球3000光年外的黑洞中被喷射出来，虽然我们观察到它在宇宙里跑了3000多年，但从粒子的视角来看，它从被喷射出来到抵达地球，其实可能只经历了1秒。
要想理解这种程度的时间弹性，我们必须抛弃大脑中的已有尺度，用更灵活的视角来看待时间。说到这里我们不禁多问一句，既然在微观世界里时间这么有弹性，漫长的时间可以通过加速被大幅压缩，那有没有可能，时间被压缩到负值，以至于实现时光倒流呢？
关于时间能否倒流这个问题，作者在书里通过不止一种视角进行了讨论，其中最简单直观的视角，就是通过熵增定律来判断时间倒流的可能性。熵指的是一个系统的混乱程度，熵增定律是热力学的基本定律之一，它说的是宇宙中的物质，总是朝着更加无序混乱的方向变化。比如盘子扔在地上会摔碎，整齐的拼图很容易被打乱，事物总是自发地从有秩序变得无秩序，而不会相反。
现在让我们去设想，物理法则是否允许时间倒流真的出现。从经典力学的角度看，一个匀速直线运动的小球，如果时间倒流，它就会以反方向进行匀速直线运动，这完全符合力学规律。从能量守恒的角度看，一块电池放电，化学能转化成电能，如果时间倒流，电池就会充电，电能转化成化学能，这也符合能量守恒定律。但从熵增定律的角度看，掉在地上的盘子碎片，如果自发回到桌子上，复原成一个完整的盘子，那这就相当于熵自发减小了，这显然是违背熵增定律的。所以熵增定律已经在基本逻辑上，否定了时间倒流的可能性。所以，科幻电影中时间倒流的桥段，永远只能在科幻电影中出现。
好，到这里本书内容就介绍得差不多了，简单总结一下。
我们首先从相对论的宏观视角谈了时间的性质。在相对论之前，人们认为时间是绝对独立的，但相对论指出，时间和空间不可分割，它们与观察者共同构成了一个整体。从宇宙的角度看，时间有起点，但不一定有终点，不过个体还是可以在黑洞附近迎来自己的时间终点。在广袤的宇宙中，时间是局部的，在大尺度的背景下，“此时此刻”这个概念没有意义。
接着我们又从量子理论的微观视角谈了时间的性质。标准理论认为，物质世界由各种微观粒子组成，有些粒子的寿命远超过宇宙的寿命，而另一些粒子的寿命则短到无以复加，可见在微观世界中，时间的跨度范围非常极端。另外，由于微观粒子的运动速度可以轻易接近光速，所以在微观世界里，时间仿佛有了弹性，流动速度可以和宏观世界大不相同。最后，在熵增定律的规定下，时间只能向前流动，时间倒流不可能发生。
时间不能倒流，所以我们经常会感慨时间的流逝，“哀吾生之须臾，羡长江之无穷”，这种关于时间的叹息，遍布于各个文明的历史长河中。不过话说回来，你我没做任何事就开始了人生，拥有了时间，这何尝不是一种免费的获得。探索时间不能延长我们拥有的时间，但能让我们意识到，自己拥有的到底有多宝贵，我们不必像电子和质子那样永生不灭，但也绝不会像渺子那样只存在于一瞬之间。对待时间，最好的态度或许就是珍惜当下，让我们在新的一年里，认真过好每一天。
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划重点
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在牛顿的传统时空观中，时间与空间是绝对的，它们相互独立，与观测者的运动状态无关。但相对论纠正了这种观点，它指出，时间和空间互为整体、不可分割，且与观测者自身的运动状态密切相关。
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熵增定律在基本逻辑上否定了时间倒流的可能性。