时间的起源

时间是什么

问一个人"时间是什么"，多数人会觉得这问题既无聊又无法回答。无聊是因为我们每时每刻都在用它，无法回答是因为一旦认真想，它就从指缝里溜走了。公元四世纪，希波的奥古斯丁在《忏悔录》里写过一句被引用了一千六百年的话："那么时间究竟是什么？没有人问我，我倒清楚，有人问我，我想说明，便茫然不解了。"这句话到今天依然成立，说明时间这个概念，碰起来就烫手。

牛顿在1687年的《自然哲学的数学原理》里给时间下了一个干脆的定义。他说，绝对的、真正的、数学的时间，自身在流逝着，由于其本性而均匀地、与任何外界事物无关地流逝着。这套说法统治了物理学两百多年，它假定宇宙里有一只看不见的大钟，滴答滴答地走，所有人、所有星球、所有事件，都被这只钟统一计时。牛顿不是没想过相对时间，但他坚持认为那只大钟才是本质，日常的、感官的时间只是它的影子。

莱布尼茨不这么看。他和牛顿同年（1716年）去世之前，留下了一种截然相反的时间观。他认为时间根本不是独立存在的实体，它只是事物之间先后顺序的一种关系。把宇宙里的所有事件抽掉，时间就没有了藏身之处。这场牛顿与莱布尼茨的争论，表面上是个哲学口角，骨子里是两种世界观的较量。直到20世纪相对论出场，物理学才真正在这两派之间做出裁决，而且裁决的方式出乎所有人意料。

康德后来又加了第三种说法。1781年他在《纯粹理性批判》里主张，时间不是外部世界的属性，而是人类心智认识世界的先天形式。我们之所以感知到时间，是因为我们的大脑天生就把世界整理成时间序列。康德的这个观点把时间从外部世界搬到了认识论里，听起来玄，但当代一些认知科学的研究反而给了它新的支持——时间感确实和大脑的神经加工密不可分。

把时间分成"心理的时间"和"物理的时间"，是绕不开的一刀。我们主观上感到时间在流动，感到过去已经凝固、未来尚未到来、现在在不停地成为过去。这种"现在"的特殊地位，在物理学里找不到对应。物理学的方程无论是牛顿的、麦克斯韦的还是薛定谔的，时间都只是一个参数，正负方向在数学上对称，没有任何一个基本方程告诉你时间必须从过去流向未来。唯一给出时间方向的，是热力学第二定律，熵增。这个裂缝，到今天还是物理学最深的一道伤疤。

熵和时间方向的关系是路德维希·玻尔兹曼在1870年代理清的。玻尔兹曼把熵解释为微观状态数目的对数，一个孤立系统总是从低概率状态（有序）演化到高概率状态（无序），这就是熵增，也就是时间箭头的来源。打碎的杯子不会自动复原，混在一起的奶和咖啡不会自动分层，这些日常经验都来自熵增。但玻尔兹曼的解释留下了一个悬而未决的问题：为什么宇宙一开始处于低熵状态？如果宇宙初始熵很高，时间箭头根本不会出现。宇宙的低熵起源，至今是物理学最深的谜之一，它和宇宙为什么有一个"开端"几乎是一个问题。玻尔兹曼本人为了捍卫自己的理论，和当时反对原子论的学界主流苦战多年，1906年他在的里雅斯特度假时上吊自杀，终年62岁。他的墓碑上刻着熵公式S=k log W，这是他留给世界最简洁的墓志铭。

宇宙的年龄是138亿年

如果时间需要外界事物来定义，那么宇宙本身有多大岁数，就是一个最实在的问题。今天天文学界给出的答案是137.97亿年，误差不超过几千万年。这个数字不是猜的，它背后有几条独立证据链互相印证。

第一条线索来自星系的退行。1929年，埃德温·哈勃在威尔逊山天文台用当时世界上最大的望远镜，口径2.5米的胡克望远镜，观测了二十四个星系，发现它们的光谱几乎全都向红端偏移，而且距离越远的星系红移越厉害。他在论文里画出的速度-距离关系图，后来被称为哈勃定律。如果星系都在彼此远离，把它们的时间倒推回去，必然有一个时刻所有东西挤在一起。哈勃本人到死都对这种推论抱有怀疑，他甚至到1940年代还在质疑红移是否真的代表宇宙膨胀，但他的观测数据成了大爆炸宇宙学最早的观测支柱。

第二条线索是宇宙的化学成分。1940年代，乔治·伽莫夫和他的学生拉尔夫·阿尔菲、罗伯特·赫尔曼计算了大爆炸早期的核合成过程，预言宇宙中应该有大约75%的氢和25%的氦（按质量算）。这个比例完全由大爆炸最初几分钟的温度和密度决定。1965年测得的宇宙氦丰度恰好是25%左右，恒星内部的氢聚变远远解释不了这个比例，只有大爆炸核合成能解释。阿尔菲和赫尔曼还预言了宇宙背景辐射的存在，温度约5开尔文，可惜这个预言被忽视了十几年。

第三条线索是宇宙微波背景辐射。1960年代，普林斯顿的迪克小组重新在理论上预言，宇宙如果起源于一次极高温的大爆炸，今天应该残留一片均匀的微波辐射，温度只有几开尔文。他们甚至造好了探测仪器准备去找。结果被人抢先了。1964年，贝尔实验室的两位无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊，在新泽西州霍姆德尔用一个为卫星通信设计的6米喇叭形天线做测量，怎么也去不掉一种来源不明的噪声。他们对天线做了各种处理，赶走过在天线里筑巢的鸽子，擦干净了鸟粪，噪声依旧。这种噪声对应的有效温度是3.5开尔文左右，从天空各个方向看都一样，不随季节、昼夜、天气变化。最后他们打电话给普林斯顿，才明白自己撞上的正是宇宙诞生时留下的余晖。这片辐射今天的精确温度是2.725开尔文，它就是大爆炸的化石证据。两人因此拿了1978年的诺贝尔物理学奖。

第四条也是最精确的一条，来自2003年的WMAP卫星和2013年的普朗克卫星。它们把这片背景辐射的温度起伏测到了百万分之一的精度，从这些起伏的统计特征里反推出宇宙的年龄、成分和膨胀速度。普朗克卫星给出的年龄是137.97亿年，宇宙里普通物质占4.9%，暗物质占26.8%，剩下68.3%是至今没人搞懂的暗能量。这几个数字互相咬合，构成了今天标准宇宙学模型的基础。有意思的是，普朗克测得的哈勃常数（67.4 km/s/Mpc）和近些年用造父变星测得的数值（73 km/s/Mpc）存在明显差异，这就是所谓的"哈勃常数危机"，至今没人能解释，它可能预示着我们对宇宙早期物理的理解还缺了什么。

大爆炸理论的曲折

"大爆炸"这个词，是它的反对者起的。1949年，剑桥的天文学家弗雷德·霍伊尔在做一档BBC广播节目时，用嘲弄的口吻把对手的理论叫做"this big bang idea"。没想到这个绰号流传开来，连支持者都觉得贴切，索性就用上了。霍伊尔本人到2001年去世都不接受大爆炸，他一直和赫尔曼·邦迪、托马斯·戈尔德一起主张稳恒态宇宙模型，认为宇宙虽然膨胀，但新物质在不断创生，使总体密度保持不变。科学的接受史里，败者给胜者命名的例子不多，这是一个。

真正最早提出大爆炸的人，是比利时的一位天主教神父，乔治·勒梅特。1927年，他在《布鲁塞尔科学学会年鉴》上发表了一篇论文，第一次从爱因斯坦的广义相对论方程出发，推导出宇宙正在膨胀的解。勒梅特其实是数学家出身，在麻省理工学院拿过博士学位，师从哈佛的沙普利。他把这个膨胀倒回去，提出宇宙最初是一个"原初原子"，所有物质和能量都压缩在一个极小的体积里，时间也是从那一刻开始的。爱因斯坦一开始很反感这个想法，当面跟勒梅特说"你的物理直觉很糟糕"，但几年后哈勃的观测出来，爱因斯坦才悄悄改变了立场，还专门去威尔逊山看了哈勃的望远镜。

勒梅特作为神父，他的动机常被人怀疑，是不是为了给创世记找物理学证据。他本人对此极其谨慎，反复声明他的物理理论是物理理论，跟神学是两回事。1933年他和爱因斯坦一起在加州理工学院做报告，教皇庇护十二世后来还想公开表彰他的理论与创世记的呼应，勒梅特私下阻止了教皇这种做法。把科学结论和宗教教义捆在一起，对他来说是危险的，他拒绝任何这样的解读。可惜这种谨慎很少被后人记住，反而不断地有人拿他的神父身份说事，这是对他学术工作的不公。

大爆炸之前是什么

这是这本书最棘手、也最迷人的问题。普通人问得理直气壮，物理学家却常常吞吞吐吐。原因在于，"之前"这个词本身就预设了时间的存在。如果时间是大爆炸那一刻才开始有的，那么问大爆炸之前发生什么，就像问北极的北边是哪里一样，问题本身就不成立。

1983年，霍金和加州大学圣巴巴拉分校的詹姆斯·哈特尔发表了一篇论文，提出了无边界设想。他们用量子宇宙学的方法，把宇宙的历史描述成一个没有边界的四维球面，时间在大爆炸附近失去了方向性，变成了一种类似空间的维度。霍金喜欢用一个比喻来解释：问大爆炸之前是什么，就像问地球北极的北边是哪里，那里没有"更北"，因为北极本身已经是边界。这个设想在物理学界争议很大，它依赖于量子引力的处理方式，而完整的量子引力理论至今还没建立，所以无边界设想目前还是一个漂亮的猜想，不是定论。

另一条思路干脆绕开"开端"。罗杰·彭罗斯在2000年代提出了共形循环宇宙学，他认为宇宙膨胀到极远未来，所有的质量都衰变成辐射之后，宇宙就丧失了尺度，那个无限膨胀的未来在数学上等价于一次新的无限致密的开端，于是宇宙在无穷多个"永世"之间循环。他甚至预言了前一个永世留下的痕迹，会以某种同心圆环的形式印在这一轮宇宙的微波背景辐射里。2010年他和瓦赫·古尔扎迪扬声称在WMAP数据里找到了这些圆环，但其他团队复核后没有确认，争议至今未决。

第三条路来自暴胀宇宙学的延伸，即多重宇宙。阿兰·古斯1980年提出暴胀理论，认为宇宙在极早期经历过一次指数级的急剧膨胀。1982年安德烈·林德把它发展成永恒暴胀，在这种图景里，暴胀永远不彻底结束，它在某些区域停下来，形成一个个像气泡一样的"口袋宇宙"，我们的宇宙只是其中一个。每一轮气泡里可能物理常数都不同，时间甚至可能没有统一的定义。在这种图景下，"我们的宇宙"之前是什么，答案可能是另一个更大的、永不停歇的暴胀区域。

还有一类"反弹宇宙"模型，比如普林斯顿的保罗·斯坦哈特和图罗克提出的火宇宙模型，认为两个高维膜碰撞触发了大爆炸，这种碰撞可能反复发生。这几种答案没有一个是被公认的定论。它们共享一个尴尬：都没有办法用现有实验直接验证。物理学是一门实验科学，当一个理论触到了实验够不着的地方，它就退化成哲学猜想。这不是坏事，它恰恰说明我们站在已知与未知的边界上。承认无知，比假装知道，更接近科学精神。

时间是基本的还是涌现的

近二十年来，有一派理论物理学家提出了更激进的想法：时间根本不是宇宙的基本属性，它是涌现出来的。什么叫涌现？就像温度，单个分子没有温度，只有动能，大量分子聚在一起，平均动能才表现为温度。水分子不"湿"，湿是大群水分子集合在皮肤上的触感。时间可能也是这样，它不是宇宙最底层的砖块，而是某种更深层的结构在大尺度上表现出来的近似性质。

意大利理论物理学家卡洛·罗韦利是这派的代表。他在循环量子引力理论框架里，提出"热时间假设"，认为时间之所以对我们有意义，是因为我们处在一个有温度、有热力学梯度的宏观状态里，时间方向是热力学统计的结果，不是宇宙的基本变量。在量子引力最基础的层面，方程里压根没有时间这个量。1967年，美国物理学家布莱斯·德维特和约翰·惠勒写下了著名的惠勒-德维特方程，这个方程描述整个宇宙的量子态，但它里面没有时间变量，薛定谔方程里那个代表时间演化的项消失了。这件事被惠勒戏称为"问题的问题"。

如果时间真是涌现的，那我们对"过去"和"未来"的全部体验，对"现在"这个特殊时刻的感受，都只是宏观尺度上的统计幻象。这个结论挑战的是我们最基本的直觉。直觉是不是该信，这是另一回事。物理学的发展一再证明，对常识的怀疑往往通向更深的真相。当然，涌现时间这一派目前也只是少数派，主流物理学仍然把时间当作有效理论里的一个基本参数。两派都在等一个完整的量子引力理论来给出最终答案。

本章小结

时间不是一只藏在宇宙背后的隐形大钟，这一点已经被相对论和量子力学反复确认。它有起点，至少我们的宇宙是这样，137.97亿年前的那次大爆炸，既诞生了空间，也诞生了时间本身。问大爆炸"之前"是什么，可能是一个语法正确但物理上空洞的问题。霍金的无边界设想、彭罗斯的循环宇宙、古斯和林德的永恒暴胀，给出的是三种风格迥异的答案，但它们都还没能赢得实验的最后裁决。

更让人不安的是，时间可能连基本都算不上，它或许只是更深层的物理结构在我们这个尺度上涌现出来的近似感觉。如果这是对的，那么奥古斯丁的那句困惑就有了物理学的版本：我们之所以说不清时间是什么，是因为在最底层，时间这东西本来就不存在。这本书后面的章节会一路从生物钟讲到原子钟、从历法讲到相对论，你会发现，人类花了三千年把时间驯化成可以测量、可以分割、可以买卖的工具，而物理学家在最深的层面告诉我们，这个工具指向的那个"东西"，可能从来就不像它看起来那么实在。承认这一点，是理解时间奥秘的第一步。