什么是时间,为什么它会向前移动?
想象的时间向后运行。人们会变得更年轻,而不是变老,经过漫长的生命周期后,他们不再学习他们所知道的一切,他们会在父母的眼中闪烁。这是科幻作家菲利普·K·迪克(Philip K . Dick)的小说中所代表的时代,但令人惊讶的是,时间的方向也是宇宙学家正在努力解决的问题。
虽然我们想当然地认为时间有一定的方向性,但物理学家们却不这么认为:大多数自然法则都是时间可逆的,也就是说,如果时间被定义为向后跑,那么它们也能正常工作。那么时间为什么总是向前移动呢?它会一直这样做吗?
时间是否有开端?
任何普遍的时间观念最终都必须以宇宙自身的进化为基础。当你抬头仰望宇宙时,你看到的是过去发生的事情,它需要时间来接近我们。事实上,即使是最简单的观察也能帮助我们理解宇宙时间:例如夜空是暗的这一事实。如果宇宙有一个无限的过去,并且在一定程度上是无限的,那么夜空就会完全明亮,里面充满了宇宙中无数恒星的光。
长期以来,包括阿尔伯特·爱因斯坦在内的科学家都认为宇宙是静止的、无限的。从那以后的观察结果显示,它实际上是在加速膨胀。这意味着它一定起源于一个更紧凑的状态,我们称之为大爆炸,意味着时间确实有一个开始。事实上,如果我们寻找光线足够大,我们甚至可以看到遗物从大爆炸宇宙微波背景辐射。认识到这是决定宇宙年龄的第一步。
但是有一个问题,爱因斯坦的狭义相对论,表明时间是相对的:相对于我,你移动得越快,相对于我对时间的感知,时间就会越慢。所以在我们的宇宙中,膨胀的星系,旋转的恒星和旋转的行星,时间的经历是不同的:过去的,现在的和未来的都是相对的。
因此,是否有一个我们都能达成一致的普遍时间。
事实证明,因为宇宙平均到处都是一样的,而且在每个方向上的平均看起来都是一样的,确实存在着一个宇宙时间。要测量它,我们所要做的就是测量宇宙微波背景的性质。宇宙学家利用这一点来确定宇宙的年龄;宇宙的年龄。事实证明宇宙有137.99亿年的历史。
时间箭头?
所以我们知道时间很可能是从大爆炸开始的。但还有一个挥之不去的问题:时间到底是什么?
要解开这个问题,我们必须看一下空间和时间的基本性质。在空间维度上,你可以向前和向后移动;每天上班族也是这种体验这种。但是时间是不同的,它有一个方向,你总是向前走,永远不会倒退。为什么时间维度是不可逆的?这是物理学中未解决的主要问题之一。
为了解释时间本身为什么是不可逆转的,我们需要在自然界中找到同样不可逆转的过程。在物理学(和生命)中,很少有这样的概念:随着时间的推移,事情会变得不那么整洁。我们用一种叫做熵的物理性质来描述它,它编码了一些东西是如何有序的。
想象一盒气体,其中所有的粒子最初都放在一个角落(一个有序的状态)。随着时间的推移,它们自然会试图填充整个盒子(一个无序的状态),并将这些粒子放回有序状态,这需要能量。这是不可逆转的。它就像在煎鸡蛋的时候把煎蛋卷弄出来,然后把煎锅填满,它就再也不会变成鸡蛋形状了。宇宙也是如此:随着它的发展,整体的熵增加了。
熵是解释时间箭头的一个很好的方法。虽然看起来宇宙正变得更有序,而不是更少地从一个相对均匀地分布在其早期到恒星、行星、人类和有关时间的文章的浩瀚的海洋中,但它可能会越来越混乱。这是因为与大质量相关的引力可能会把物质拉到看似有序的状态中,而我们认为这种无序状态的增加一定是隐藏在引力场中。所以即使我们看不到,无序也会增加。
但鉴于自然倾向于更倾向于无序,为什么宇宙一开始就处于这样有序的状态呢?这仍然被认为是一个谜。一些研究人员认为,大爆炸可能根本就不是开始,实际上可能是平行宇宙,“时间在不同的方向运行”。
时间会终结么?
时间有一个开始,但它是否会有结束取决于暗能量的性质,它导致它以加速扩张。这种膨胀的速度最终可能会撕裂宇宙,迫使它以大撕裂告终;或者暗能量可能会衰变,逆转大爆炸,并在大收缩中结束宇宙;或者宇宙可能会永远膨胀。
但是这些未来的场景会不会结束呢?好吧,根据量子力学的奇怪规则,微小的随机粒子可以瞬间从真空中跳出,在粒子物理实验中经常看到。一些人认为暗能量会导致量子涨落,导致新的大爆炸,结束我们的时间线并开始新的。虽然这是极具推测性且极不可能的,但我们所知道的是,只有当我们理解暗能量时,我们才知道宇宙的命运。