科學(xué)家造出一個“微型宇宙”，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：時間竟然不是宇宙自帶的

如果有人問你，宇宙里最神秘的東西是什么，大多數(shù)人可能會想到黑洞、暗物質(zhì)或者暗能量。但在很多物理學(xué)家眼里，還有一個比這些更難回答的問題：時間到底是什么？

我們每天都生活在時間里，從早晨起床到夜晚入睡，時間似乎一直都在那里。可真正追問下去，就會發(fā)現(xiàn)一個很奇怪的問題。

所有的鐘表都需要依賴某種規(guī)律性的運動來計時。機械鐘依靠齒輪轉(zhuǎn)動，石英鐘依靠晶體振蕩，原子鐘依靠原子能級躍遷。它們都需要一個外部參照。

那么，整個宇宙又是靠什么計時的？

如果宇宙已經(jīng)包含了一切，那么宇宙之外就不存在另一塊更大的鐘。沒有外部參照，時間又是從哪里來的？

這個問題困擾物理學(xué)家已經(jīng)幾十年了，而最近英國伯明翰大學(xué)的一項實驗，第一次讓科學(xué)家在實驗室里看到了一種可能的答案。

這項研究發(fā)表在《Physical Review Research》上。實驗負(fù)責(zé)人喬瓦尼·巴龍蒂尼沒有去尋找新的粒子，也沒有建造更大的加速器，而是選擇用一種極端狀態(tài)的物質(zhì)，創(chuàng)造了一個高度隔離的"微型宇宙"。

這里說的微型宇宙，并不是一個真正的宇宙，而是一團被冷卻到接近絕對零度的玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)。

在這種極低溫環(huán)境下，成千上萬個原子幾乎停止運動，它們不再像一個個獨立的個體，而是共同表現(xiàn)得像一個整體。從量子力學(xué)的角度來說，它們就像共享著同一個量子狀態(tài)，因此一直被物理學(xué)家當(dāng)作研究量子世界最理想的平臺。

更重要的是，這個系統(tǒng)可以被隔離得非常徹底。

外界幾乎不會對它產(chǎn)生影響，就像整個宇宙一樣，沒有任何"外部"存在。

實驗真正有意思的地方，是研究人員隨后做的一件事。

他們用一層極薄的激光，把整個量子系統(tǒng)分成了兩部分。

其中一半負(fù)責(zé)觀測，另一半則被故意忽略。研究團隊甚至把這一部分稱為"暗區(qū)"，不過這里的暗區(qū)和暗物質(zhì)沒有關(guān)系，只是實驗中的一個名字。

隨后，兩邊的原子開始不斷穿過中間的激光屏障，在兩側(cè)來回流動。有時大量原子進入觀測區(qū)域，有時又重新流回另一邊。研究人員把原子大量涌入的時候戲稱為"大爆炸"，全部流回時則稱為"大坍縮"，當(dāng)然，這只是形象化的說法，并不是在真正模擬宇宙的誕生和毀滅。

真正值得關(guān)注的不是原子的運動，而是伴隨這種運動產(chǎn)生的熵。

熵通常被理解為系統(tǒng)混亂程度的度量，也可以理解為能量在系統(tǒng)中分布的方式。當(dāng)原子不斷在兩側(cè)交換時，熵也會隨之發(fā)生變化。

一般來說，實驗都會直接記錄時間，再分析系統(tǒng)在不同時間發(fā)生了什么。但這一次，研究人員故意反過來做。

他們完全不參考實驗室里的鐘表，而是把熵的變化本身，當(dāng)作系統(tǒng)內(nèi)部的一塊鐘。

只要熵還在交換，他們就認(rèn)為時間還在流動；熵交換越快，時間流逝得越快；熵交換變慢，時間也隨之減慢；而當(dāng)兩邊最終達到平衡，不再發(fā)生熵交換時，這塊內(nèi)部時鐘也停止了。

他們把這種計時方式稱為"熵時間"。

令人驚訝的是，這種完全來自系統(tǒng)內(nèi)部的時間，竟然能夠正確排列整個實驗中發(fā)生的所有事件。

雖然它和實驗室記錄的秒數(shù)并不一致，但事件發(fā)生的先后順序卻完全吻合。

更有意思的是，這種時間并不是勻速流逝的。

當(dāng)兩側(cè)原子大量交換時，熵快速增加，內(nèi)部時間流動得也更快；隨著交換逐漸減少，時間開始慢下來；等到整個系統(tǒng)達到平衡之后，時間甚至徹底停了下來。

這種現(xiàn)象讓巴龍蒂尼自己都感到意外。他后來接受采訪時表示，最讓他驚訝的不是實驗成功，而是所有結(jié)果竟然能夠如此自然地對應(yīng)在一起，幾乎沒有出現(xiàn)理論與實驗之間常見的偏差。

研究團隊隨后又做了一步驗證。

他們利用這種由熵定義出來的內(nèi)部時間，重新推導(dǎo)出了一種薛定諤方程，并成功預(yù)測了系統(tǒng)后續(xù)的演化過程，與實驗觀測結(jié)果高度一致。

這意味著，即使沒有傳統(tǒng)意義上的時間變量，一個量子系統(tǒng)依然能夠按照自己的內(nèi)部規(guī)律不斷演化。

其實，這項實驗驗證的是一個提出已久的理論。

早在上世紀(jì)，人們就在研究量子引力時發(fā)現(xiàn)，一個描述整個宇宙的基本方程——惠勒—德維特方程（里面竟然沒有時間）。

換句話說，從這個方程來看，整個宇宙仿佛是靜止的。

這顯然和我們的日常體驗完全不同。

于是，一些物理學(xué)家提出了所謂"關(guān)系時間"的觀點。他們認(rèn)為，時間并不是宇宙最基本的組成部分，而是系統(tǒng)內(nèi)部不同部分相互比較后產(chǎn)生的一種結(jié)果。一部分充當(dāng)鐘，另一部分記錄變化，于是時間便出現(xiàn)了。

過去，這始終停留在理論層面。

巴龍蒂尼的實驗，是第一次在實驗室里直接驗證這種想法。

當(dāng)然，這并不意味著時間只是幻覺，也不意味著現(xiàn)有物理學(xué)被推翻了。

更準(zhǔn)確地說，它證明了一件事：在某些完全隔離的量子系統(tǒng)里，即使不存在外部時鐘，系統(tǒng)內(nèi)部依然能夠自發(fā)產(chǎn)生一種可以描述演化過程的"時間"。

實驗還有一個耐人尋味的細(xì)節(jié)。

為什么時間會出現(xiàn)？

研究團隊給出的解釋，與信息有關(guān)。

整個實驗過程中，他們始終沒有去觀測那一半被稱為"暗區(qū)"的系統(tǒng)，也就是說，他們主動放棄了一部分信息。

正因為信息變得不完整，熵才會產(chǎn)生，而熵又定義了系統(tǒng)內(nèi)部的時間。

巴龍蒂尼甚至提出一個頗具哲學(xué)意味的觀點：時間本身，以及時間為什么只能朝著一個方向流動，或許都來源于觀察者的信息缺失。

如果一個觀察者能夠知道整個宇宙每一個粒子的全部狀態(tài)，那么時間這個概念，也許根本沒有存在的必要。

當(dāng)然，這個觀點還遠遠談不上定論。

畢竟，這只是一個由超冷原子組成的小型量子系統(tǒng)，它距離真正的宇宙還有著巨大的差別。

但至少，這項實驗提供了一種全新的思路。

過去，關(guān)于時間起源的問題幾乎只能依賴數(shù)學(xué)推導(dǎo)和哲學(xué)討論，如今，科學(xué)家終于擁有了一種能夠在實驗室里反復(fù)驗證這些想法的方法。

未來，利用同樣的技術(shù)，他們還希望進一步模擬黑洞、早期宇宙，甚至宇宙最終坍縮等更加復(fù)雜的物理過程。

愛因斯坦告訴我們，時間會因為速度和引力發(fā)生變化。而今天，這項實驗又提出了另一種可能：時間也許并不是宇宙最底層的屬性，而是在量子系統(tǒng)內(nèi)部的信息交換過程中逐漸"浮現(xiàn)"出來的。

如果這一方向最終被證明是正確的，那么人類對于時間的理解，很可能會再次發(fā)生一次根本性的改變。

（參考：Barontini, G. (2026). Testing the problem of time with cold atoms.

Physical Review Research

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https://doi.org/10.1103/1h9j-df4k）