时间真的不存在吗？科学家发现了一种测度时间的新方法

来源：世界风情画（ID：finkeeper）

作者：杂杂妹

在滴答作响的时钟和摆动的钟摆的世界中，确定时间的流逝是计算“那时”和“现在”之间的秒数的简单例子。

然而，在嗡嗡作响的电子的量子尺度下，“那么”并不总是可以推测的。更糟糕的是，“现在”经常变得模糊不清。秒表在某些情状下根本不起作用。

因此，“时间不存在”之说便成了一些人用来形容显现“概率云”状态基本粒子运动中的时间测度的复杂性之词。

更有甚者，甚至“假托”起提出“相对论”的阿尔伯特·爱因斯坦之名兜售起“时间本不存在”的说法了。

实际上，时间作为物质热运动的测度量还是可以在很多地方显而易见。

而对“时间”定义做出最大奉献的，要数19世纪奥地利物理学家、哲学家，热力学和统计物理学的奠基人之一—— 路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann，1844年2月20日—1906年9月5日）。1877年，波尔兹曼从热力学第二定律（力学能可全部转换成热能， 但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功 (热机不可得)）的基础上提出，用“熵（△S）”来量度一个系统中分子的无序程度，并给出熵S与无序度Ω（即某一个客看状态对应微看态数目，或者说是宏看态出现的概率）之间的关系为S=k·lnΩ。这就是闻名的波尔兹曼公式，其中常数k=1.38×10^-23 J/K 称为波尔兹曼常数 。他最先把热力学原理使用于辐射，导出热辐射定律，称斯忒藩-波尔兹曼定律。

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简单点讲，就是我们通过S=k·lnΩ可知，Ω=e^（S/k），也就是无序度等于以自然常数（宇宙万物简单增长的极限，e=lim（1+1/x）^x=2.718281828459045……）为底，熵值除以玻尔兹曼常数的商为乘方的指数函数。由于e大于1，那么熵越大，一团分子的无序度就越高。

而我们再通过热力学第二定律、第三定律（绝对零度时所有物体形成完美晶体）同时结合宇宙背景温度为-270.15℃（3K左右）可推断到，气体自由膨胀过程是不可逆的，膨胀的气体温度将无限趋近于宇宙背景温度至绝对零度（这也是电冰箱制冷的原理），那么，宇宙整体的运动方向就是熵增，也就是无序度提高，而度量熵增程度的物理量，就是：

时间！时间！时间！

（不过，杂杂妹啊，您讲的波尔兹曼公式似乎是个矢量啊？——妤妤姐）

就是因为玻尔兹曼公式（别和荷兰物理学家Poisson- Boltzmann搞混了）本身是个矢量，才会有“时间是什么”之问啊？

通过玻尔兹曼公式可知，Ω、S两个物理量生成的点可以在函数图形组成的“轨道”上自由移动，而且y=f（Ω）和y=f（S）是沿y=x轴对称的图形，故预示着熵增运动并非物质运动的绝对方向，但通过宇宙背景温度和绝对零度的测度又可知，宇宙整体的无序度又是不断提升的。这里产生的疑问到了20世纪，随着量子物理学的熟悉和使用，才有了阐明的可能。

（那么，阐明是什么呢？——妤妤姐）

就是时间既非矢量也非标量，或者在科幻小说里，您可以把他当矢量，您等男朋友或者女朋友时一定要把它当标量，时间只是人们认知中为了方便笔录自己看察到的宇宙熵增过程的“语素”！

（啊！——妤妤姐）

是的，这里涉及的是量子力学的“看察者效应”，就是意识物测度了微看粒子的波粒二象性时，粒子就呈粒子态，而不测度时，就呈波动态。比如在光子或电子双缝干涉实验时，您在光子、电子旁放置一个高速摄像机，看看电子或光子是以波还是粒子的形式通过双缝时，光子或电子就变成小球，打在双缝后的黑板上，一旦撤除高速摄像机，它们又会在黑板上显现干涉条纹。

由于人类在数学定义和体会看察中存在对“时间”熟悉的重大矛盾点，加之“看察者”效应始终无法清除意识的骚乱，所以现在学界普及把时间当成一个“词语”看待。这也是瑞典乌普萨拉大学研究人员2022年的一项研究，可以在量子雾本身的外形中找到一个潜在的解决方案，或者说，时间的另一个测度方式的根本构思所在。

他们对一种喊做里德堡态的东西的波动性质的实验显示了一种测量时间的新方法，这种方法不需要精确的起点。

而 在里德堡状态下，原子或分子中的一个电子被激发到主量子数较高的轨道 。通常情状下，这样的状态指的是将一个电子放在与离子实相比尺寸很大的轨道上。比如外层电子运动轨道半径很大，它离分子实际的距离可远大于核间距。

为此，科学家通过第一束激光将用来看测的氦、氩、氡等气体原子的电子激发到更高的能量状态，以用于各种用途。

同时，在某些使用中，第二束激光可以用来监测电子位置的转变，包括时间的流逝。这些泵探针例如，技术可以用来测量某些超快电子设备的速度。

诱导原子进进里德堡态是一种工程师的便利技艺，特别是在设计量子计算机时。不用说，物理学家已经积存了大量关于电子进进里德堡态时运动方式的信息。

然而，作为量子动物，它们的运动不像珠子在小算盘上滑动，更像是轮盘赌桌上，球的每一次滚动和跳跃都被压缩成一场概率游戏。

里德伯电子轮盘这种疯狂游戏背后的数学规则被称为“里德伯波包”。

就像真实的波一样，在一个空间中有多个里德堡波包波动会产生干涉（a），从而产生特殊的波纹图案（b）。将足够多的里德伯波包扔进同一个原子池中，这些特殊的模式将各自代表波包按照彼此的方式演化所需的不同时间（c）。

这组实验背后的物理学家着手测试的正是这些时间的“指纹”，表明它们足够一致和可靠，可以作为一种量子时间标志。

他们的研究包括测量激光激发氦原子的结果，并将他们的发现与理论推测进行匹配，以展示他们的签名结果如何能够继续一段时间。

“假如你使用计数器，你必须定义零。你从某一点开始计数，”来自瑞典乌普萨拉大学的物理学家玛尔塔·伯霍尔茨（Marta Berholts）小姐向记者表达。

“这样做的好处是，你不必启动时钟——你只需看着干涉结构，然后说‘好吧，已经4纳秒了。’"

演化里德伯波包的指南可以与其他形式的泵浦-探测光谱学结合使用，这些光谱学测量微小尺度的事件，有时不太清楚，或者只是太不方便测量。

重要的是，没有一个指纹需要一个当时和现在作为时间的起点和终点。这就像衡量一个不知名的短跑运动员和许多以固定速度奔跑的竞争者之间的比赛。

通过在泵浦-探测原子样本中觅觅干涉里德伯堡态原子的特征，科学家可以看察到短暂到1.7万亿分之1秒（1/（1.7^12））的事件时间戳。

未来的量子手表实验可以用其他原子取代氦，甚至使用不同能量的激光脉冲，以扩展时间戳指南，以适应更广泛的条件。

上述实验使用了两束激光，一束激发，一束测量，因此是利用了“看察者”效应，此举令人类对化学、物理转变中极其微小，以致接近普朗克时间（10^-43秒）的物质转变进行看察提供了可能，从而大大降低了时间测量的误差，为开发更精准的“量子钟”提供了可能。

参考资料：

1、MIKE MCRAE：Scientists Found an Entirely New Way of Measuring Time（sciencealert）

2、Marta Berholts, Ronny Knut, Robert Stefanuik, Hampus Wikmark, Susmita Saha, and Johan Söderström：Quantum watch and its intrinsic proof of accuracy[M].:Phys. Rev. Research 4, 043041 – Published 18 October 2022

3、热力学四大定律发展史（大连理工大学）

4、普朗克尺度和普朗克时间（中科院物理所）