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

如果有人問(wèn)你，宇宙里最神秘的東西是什么，大多數(shù)人可能會(huì)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(gè)比這些更難回答的問(wèn)題：時(shí)間到底是什么？

我們每天都生活在時(shí)間里，從早晨起床到夜晚入睡，時(shí)間似乎一直都在那里。可真正追問(wèn)下去，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)很奇怪的問(wèn)題。

所有的鐘表都需要依賴(lài)某種規(guī)律性的運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)時(shí)。機(jī)械鐘依靠齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，石英鐘依靠晶體振蕩，原子鐘依靠原子能級(jí)躍遷。它們都需要一個(gè)外部參照。

那么，整個(gè)宇宙又是靠什么計(jì)時(shí)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(méi)有外部參照，時(shí)間又是從哪里來(lái)的？

這個(gè)問(wèn)題困擾物理學(xué)家已經(jīng)幾十年了，而最近英國(guó)伯明翰大學(xué)的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，第一次讓科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里看到了一種可能的答案。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《Physical Review Research》上。實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人喬瓦尼·巴龍蒂尼沒(méi)有去尋找新的粒子，也沒(méi)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(gè)高度隔離的"微型宇宙"。

這里說(shuō)的微型宇宙，并不是一個(gè)真正的宇宙，而是一團(tuán)被冷卻到接近絕對(duì)零度的玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。

在這種極低溫環(huán)境下，成千上萬(wàn)個(gè)原子幾乎停止運(yùn)動(dòng)，它們不再像一個(gè)個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，而是共同表現(xiàn)得像一個(gè)整體。從量子力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，它們就像共享著同一個(gè)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(tái)。

更重要的是，這個(gè)系統(tǒng)可以被隔離得非常徹底。

外界幾乎不會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響，就像整個(gè)宇宙一樣，沒(méi)有任何"外部"存在。

實(shí)驗(yàn)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(gè)量子系統(tǒng)分成了兩部分。

其中一半負(fù)責(zé)觀測(cè)，另一半則被故意忽略。研究團(tuán)隊(duì)甚至把這一部分稱(chēng)為"暗區(qū)"，不過(guò)這里的暗區(qū)和暗物質(zhì)沒(méi)有關(guān)系，只是實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)名字。

隨后，兩邊的原子開(kāi)始不斷穿過(guò)中間的激光屏障，在兩側(cè)來(lái)回流動(dòng)。有時(shí)大量原子進(jìn)入觀測(cè)區(qū)域，有時(shí)又重新流回另一邊。研究人員把原子大量涌入的時(shí)候戲稱(chēng)為"大爆炸"，全部流回時(shí)則稱(chēng)為"大坍縮"，當(dāng)然，這只是形象化的說(shuō)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(yùn)動(dòng)，而是伴隨這種運(yùn)動(dòng)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(shí)，熵也會(huì)隨之發(fā)生變化。

一般來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)都會(huì)直接記錄時(shí)間，再分析系統(tǒng)在不同時(shí)間發(fā)生了什么。但這一次，研究人員故意反過(guò)來(lái)做。

他們完全不參考實(shí)驗(yàn)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(shí)間還在流動(dòng)；熵交換越快，時(shí)間流逝得越快；熵交換變慢，時(shí)間也隨之減慢；而當(dāng)兩邊最終達(dá)到平衡，不再發(fā)生熵交換時(shí)，這塊內(nèi)部時(shí)鐘也停止了。

他們把這種計(jì)時(shí)方式稱(chēng)為"熵時(shí)間"。

令人驚訝的是，這種完全來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間，竟然能夠正確排列整個(gè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的所有事件。

雖然它和實(shí)驗(yàn)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(shí)間并不是勻速流逝的。

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

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

研究團(tuán)隊(duì)隨后又做了一步驗(yàn)證。

他們利用這種由熵定義出來(lái)的內(nèi)部時(shí)間，重新推導(dǎo)出了一種薛定諤方程，并成功預(yù)測(cè)了系統(tǒng)后續(xù)的演化過(guò)程，與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果高度一致。

這意味著，即使沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的時(shí)間變量，一個(gè)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(shí)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的是一個(gè)提出已久的理論。

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

換句話(huà)說(shuō)，從這個(gè)方程來(lái)看，整個(gè)宇宙仿佛是靜止的。

這顯然和我們的日常體驗(yàn)完全不同。

于是，一些物理學(xué)家提出了所謂"關(guān)系時(shí)間"的觀點(diǎn)。他們認(rèn)為，時(shí)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(shí)間便出現(xiàn)了。

過(guò)去，這始終停留在理論層面。

巴龍蒂尼的實(shí)驗(yàn)，是第一次在實(shí)驗(yàn)室里直接驗(yàn)證這種想法。

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

更準(zhǔn)確地說(shuō)，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(shí)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(guò)程的"時(shí)間"。

實(shí)驗(yàn)還有一個(gè)耐人尋味的細(xì)節(jié)。

為什么時(shí)間會(huì)出現(xiàn)？

研究團(tuán)隊(duì)給出的解釋?zhuān)c信息有關(guān)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，他們始終沒(méi)有去觀測(cè)那一半被稱(chēng)為"暗區(qū)"的系統(tǒng)，也就是說(shuō)，他們主動(dòng)放棄了一部分信息。

正因?yàn)樾畔⒆兊貌煌暾夭艜?huì)產(chǎn)生，而熵又定義了系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間。

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

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

當(dāng)然，這個(gè)觀點(diǎn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上定論。

畢竟，這只是一個(gè)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供了一種全新的思路。

過(guò)去，關(guān)于時(shí)間起源的問(wèn)題幾乎只能依賴(lài)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(shí)驗(yàn)室里反復(fù)驗(yàn)證這些想法的方法。

未來(lái)，利用同樣的技術(shù)，他們還希望進(jìn)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(guò)程。

愛(ài)因斯坦告訴我們，時(shí)間會(huì)因?yàn)樗俣群鸵Πl(fā)生變化。而今天，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)又提出了另一種可能：時(shí)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(guò)程中逐漸"浮現(xiàn)"出來(lái)的。

如果這一方向最終被證明是正確的，那么人類(lèi)對(duì)于時(shí)間的理解，很可能會(huì)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）