时间究竟是什么？黑洞是否真能成为时间机器？

撰文/ Monica Marelli

编译/王宝泉

时间对于住在一楼的人来说比住在顶层的人过得慢，尽管它不足以使里面的人变得长寿。要想使一个人变得年轻些，只需乘坐一架普通的飞机做一次环球旅行就可以了。这是时间效应对所有的人都相同的两个令人难以置信的结果：时间可以延长也可以缩短，这取决于空间、重力和速度。本文将带领读者去探索时间这个外表看起来很亲近但是又很神秘的尺度。

　1.时间究竟是什么？

1000多年来，人们一直都在寻找这个问题的答案。比如，在古希腊，时间的定义问题对哲学家的困扰更甚于对数学家的困扰。在伽利略的伟大发现之后，牛顿把时间最终定义为数学上的量。但是，这位伟大的英国科学家认为，时间是一个被神秘气息所覆盖着的客体，因为时间独立于任何物体，在一切之上，是绝对的。时间与圣人是如此接近，以至于上帝被比为一座钟。

爱因斯坦认为，时间一点也不像是大自然里的一条“自由自在的狗”，而是一个实实在在的尺度。即使在今天，我们仍然不能像定义任何一个实际的事物那样给时间下一个定义。我们可以度量时间，但不知道时间是什么，并且还把“时间”挂在墙上或者带在手腕上。根据爱因斯坦的相对论，我们知道时间可以延长或是缩短。这就是物理学家为什么把时间简单地用作确立事件的序列，并且用时间标记它们。比如人的生日或食品的保质期等。

2.时间是像河流一样流动还是有间断的接替？

不幸的是，没有一种理论或者是一项实验能够证实时间是以连续的方式流动还是像一部电影里的每格画面，给人一种连续的印象，即有间断的接替。对时间的连续性或间断性的研究还涉及到另外一个问题，即时间到底有没有开端。对此，至今还没有确切的答案。因为著名的大爆炸理论认为时间—空间有一个开始；而另外的一些科学家则指出，“时间”尺度没有一个瞬间的开始，这是不必要的。这样事情就复杂了。因为根据量子力学的原理，比所谓的普朗克时间(Planck Time)小的时间间隔是不可探知的。普朗克时间单位在秒数量级。所以在一个非常短的时间内是不可能计算出新生的宇宙状态的。总之，就现在的理论来看，有关宇宙的第一声啼哭将永远是个未知数。

现在我们回到时间的“连贯性”上来。奇怪的是它能够以连续或间断的方式流动，但最小的、可计算的时间间隔则与“普朗克时间”一样。总之，时间是一条连续的带子，而物理学家把它当作一条环环相扣的、不连续的项链。

几年前，科学家大卫·芬克勒斯坦因(David Finkelstein)曾经提出过一种理论，但是没有在科学界获得很大的支持。这位物理学家假设时间原子存在。这些时间原子可能表现出了它们的间断性。

　3.对于所有人来说，时间是以同一种方式流逝吗？

爱因斯坦的理论表明答案是否定的。实际上同空间一样，时间也是相对的。相对是什么意思呢？即为了完整地而不是模棱两可地描述一个事件，那么这个事件就应该被放在一个参照系里。例如，如果我与某人在路的尽头约会，那么“尽头”对另外一个人来说可能恰好是路的开端。如果我加上“在路尽头后面的广场”，那么这个“约会事件”就准确了。带有时间因素的事情也是如此。如果我说10年过去了，那么我就必须指出，是与哪个参照系相比过去了10年。很明显，在每天的生活里没有必要拘泥于细节。但是谁又知道将来我们会不会组织星际旅行或者与外星人交流呢？到那时，时间间隔就不再这么简单了，就会感到时间的相对性了。

一个有名的例子能够解释这一切。阿尔法(Alfa )和贝塔(Beta)是一对30岁的孪生兄弟，都是宇航员。2000年，贝塔开始乘坐速度为每秒24万公里的太空飞船向距离地球8光年的一个星球进发。以这种速度，贝塔来回单程各需要10年时间。事实是为了达到所要的平均速度，贝塔需要加快速度，而在到达目的地时还要减速。因为他们两个的参照系不再相同，只需改变运动方向我们就可以把阿尔法和贝塔的时间分离开来。当贝塔在2020年回到地球上来时，将看到阿尔法庆祝50岁(老了20年)生日，而这时对他自己来说才刚刚过了12年，他才只有42岁。这不是一个智力测验。时间的伸缩已经被真实的表所测量到。1971年，美国华盛顿大学的哈费勒(J.C. Hafele)和美国海军天文台的理查德·基廷(Richard Keating)两位物理学家作了环球旅行，并且测量了飞机上的4座原子钟。飞机的速度无法和光的速度相比(相差几百万倍)。但是科学家们却证实捕捉到了时间的伸缩性：在旅行结束时,飞机上的钟表指示与地面上的钟表相比晚了59纳秒。另外，高度也影响时间的流逝，爱因斯坦的理论表明由于重力的原因，时间离地面越近流逝得就越慢。实际上，在地下室里，时间流逝得要比在楼房顶层慢。有人曾经计算过，在人的一生中，如果是住在一层的话，可以多活一微秒，当然，这对长寿来讲太微不足道了。

　4.如果时间是一个尺度，那么为什么不能像在空间中一样前进和后退呢？

在将来和过去的时间中旅行都属于科学幻想。正如奥地利数学家库尔特·歌德尔(Kurt Godel)在1949年所证实的一样，在过去的时间里旅行是不被物理学的法则所禁止的，然而条件是非常特殊的：宇宙要能够转动(这在现实中是不可能发生的)，并且时间的追求者必须以大于光速71%的速度移 动。总之，菜谱是有了，但是没有配料。正如物理学家斯蒂芬·霍金所认为的那样，这可能是自然保护自己的一种方式，同时阻止时间旅行就会避免可能带来的悖论，例如会和自己相遇或者是改变历史一类的现象。

　5.黑洞是否真的是时间机器呢？

黑洞所提供的可能性之一是，在通过了一个时空隧道后落入它们之中，并且重新出现在过去。隧道是什么？有各种各样的假设，从抗重力到对映世界，再到宇宙更替。虽然假设众多，但没有一个是可行的。只需想一想黑洞超强的引力就够了：时间就像一根皮筋，最后被拉长，而在这种情况下要想活着出来是毫无希望的。时间是一个永久的话题，人们仍在不断地探索和尝试其他的方法。

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