时间对我们来说似乎是线性的：我们记住过去，体验现在并预测未来，从一个时刻连续移动到下一个时刻。但为什么会这样，时间到底是不是一种幻觉呢？在这一集中，诺贝尔奖获得者物理学家 弗兰克·威尔泽克 与主持人交谈 史蒂文·斯特罗加兹（Steven Strogatz） 关于时间的许多“箭头”以及为什么它们中的大多数看起来不可逆转、时钟的本质、爱因斯坦如何改变我们对时间的定义，以及时间与我们对暗物质可能是什么的概念之间意想不到的联系。

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史蒂文·斯特罗加茨： 我们所有人都知道时间的流逝。我们在季节的更替、歌舞的节奏、孩子的成长和变老中感受到了这一点。不管你喜欢与否，时间是生活的基本组成部分。几千年来，科学家普遍认为时间是一个一维的东西，是一支不断前进而不是倒退的箭头。但我们越仔细地观察时间，它就变得越复杂和神秘。今天，对于时间，或者至少我们对时间的体验，是真实的还是虚幻的，科学家们存在分歧。也许我们并没有真正穿越时间。也许现在、过去和未来都同样真实。

【主题剧】

我是 Steve Strogatz，这是“The Joy of Why”的播客 广达杂志，我的共同主持人， 詹娜·莱文（Janna Levin），我轮流探索当今数学和科学中一些尚未解答的最大问题。

在这一集中，我们会问 理论物理学家弗兰克·威尔切克， “时间是什么？”过去我们是如何定义它的？未来量子物理学将如何重新定义它？

弗兰克是麻省理工学院赫尔曼·费什巴赫物理学教授、亚利桑那州立大学杰出教授和斯德哥尔摩大学教授。他是本次大赛的获胜者 2004诺贝尔奖 物理学博士学位和 2022 年坦普尔顿奖。他是多本书的作者，包括最近的， 基础知识：实现现实的十个关键。弗兰克，欢迎来到“为什么的喜悦”。

弗兰克·维尔切克： 谢谢。很高兴来到这里。

斯特罗加兹： 嗯，我很高兴再次和你聊天。我喜欢你的整本书 基本原理，你对时间的解释以及如何思考时间对我来说是最令人心酸和美丽的解释之一。但我想首先问一个关于你的时间经历的个人问题，就像一个儿子和一个人，一个丈夫，我不知道。作为一个人，你如何体验时间？这与你作为一名科学家的体验有何不同？

维尔切克： 嗯，今年我以一种非常好的方式面对时间。这是我第一篇科学论文的 50 周年纪念日，也是我结婚的 50 周年纪念日。那已经XNUMX年了……

斯特罗加兹： (笑） 哇。

维尔切克： 我反思了时间的流逝，并以某种方式回到过去，重温那些开创性的时刻。

你问的是一个非常有趣的问题，在我们的方程中出现的时间是……嗯，它是主变量，世界在它的作用下展开。所以它是一个符号， t，出现在我们的方程中。通过遵循方程式，我们得到了关于什么的提示 t 是。这告诉你它的属性是什么，正如我们在周围看到的事物及其行为所反映的那样。

但可以说，时间有自己的生命，因为你可以独立于它所作用的事物来讨论它的属性，特别是它的对称性。

但回到时间的体验与时间的物理定义——从字面上看，引入一个问题是，通过存储有关过去的信息并思考未来，我们可以以物理上的方式穿越时间。遵守物理方程的物体实际上并不遵守。

只有时间上的邻居才能真正在方程中相互交谈。但在我们的脑海中，我们可以储存记忆。或者我们可以想想未来。我们真的可以进行时间旅行。

斯特罗加兹： 那太棒了。方程中有些东西我们只能无限地向前看。正如你所说，重要的是及时的邻居，对吗？当前的状况预测未来邻近时刻会发生什么。

维尔切克： 是的，当然在目前理解的基本法框架中，这就是它的运作方式。推测最终可能存在一个更加全球性的结构，存在一些我们尚未捕捉到的条件，使得宇宙的展开不可避免且独特，这是很有趣的。

但就像现在一样，法律告诉你世界在某一时刻的状态如何演变为下一时刻的状态。

斯特罗加兹： 您认为时间的最大谜团是什么？

维尔切克： 我认为一个非常富有成效的谜团，而且我想也许我们在解开这个谜团方面已经取得了很多进展，那就是物理的基本定律看起来是 时间上几乎可逆转，尽管世界的日常经验并非如此。

这就提出了两个问题：如何从具有可逆性的基本定律中获得经验，而事实却根本不具备这种可逆性？

其次，当法律不仅没有必要描述经验，而且有点尴尬时，到底为什么法律具有这种属性？它提出了一个问题、一个挑战。我们如何调和法律的属性与经验，这似乎（如果不是矛盾的话）至少与之存在紧张关系。

这是两个很大的问题，我认为实际上已经很大程度上解决了，但仍然非常富有成效，尤其是第一个问题：为什么法律是这样的？

然后，一个更大的问题，或者说更神秘、更深刻的问题，是我们现在描述世界的方式——用告诉你世界每时每刻如何展开的法则——是完全的？

从某种程度上来说，它在哲学上似乎并不令人满意，因为它将世界的描述分为两部分。一个是方程，另一个是某一时刻的世界状态，你必须以某种方式注入它才能开始。

斯特罗加兹： 那么让我们看看我是否明白这一点。问题在于为什么法律具有这种近乎可逆的特性。

威尔切克：是的。

斯特罗加兹： 我们可以这样说：“方程与初始条件”的问题。

威尔切克： 是的是的。

斯特罗加兹： 有些人会知道你在说初始条件而没有说出来。

威尔切克： 对。

斯特罗加兹： 还有这个行话，“时间之箭”，关于——在我们的经验中，感觉时间只是向前流动。你说感觉分辨率很好。我们认为我们了解时间之箭。

维尔切克： 我想是这样。这是一个很长的故事，随着时间的推移，它变得越来越有说服力。但我认为显然有许多不同的时间箭头，有许多不同的方式使未来与过去有所不同。这里面肯定有一种心理现象。还有热力学第二定律。它告诉你事情变得更加随机，非常粗略地说，但也有一个精确的表述。有一个时间的辐射箭头，辐射往往从事物中出去而不是进来。这个时间箭头与生命的进化有关。还有许多其他你可以即时发明的东西。放眼望去，到处都是时间的箭头。未来和过去之间存在不对称。

但我认为现在所有这些 - 我们可以将它们全部包装成一支箭头。就像“一环统治一切”一样，有一根箭头统治一切，这就是宇宙时间之箭。

所以，你可能会说我们已经解开了这个谜团，但我认为更准确的说法是我们已经将所有谜团包裹在一个谜团中，即：为什么首先会有大爆炸？

重力喜欢物体聚集在一起，但太空大爆炸时的早期宇宙是非常非常均匀的。所以重力已经完全脱离平衡了。从那时起，重力就一直在努力重建平衡。

因此，物质膨胀并冷却，然后凝结并形成（最终）开始释放核能的恒星和生物可以在其上进化的行星。有一个非常合理且详细的故事，将所有的箭头与宇宙演化的一根箭头对齐。

斯特罗加兹： 我发现它非常 - 甚至不确定我会用什么形容词来形容它，但我们的时间体验仅从现在流向未来，鸡蛋不会自行解开，诸如此类的事情，这就是这样的想法以某种方式与整个宇宙的演化有关，从炎热的均匀状态到目前的块状，你知道，充满星系的恒星……想到那些看起来如此遥远的东西正在影响我的背痛，现在我是一个人，这真是太疯狂了。老铁，你知道吗？就像，真的，对吧？最终，这就是你所说的。

维尔切克： 这当然不是一个显而易见的故事，如果没有现代科学整个过程中发展起来的大量证据，这将是令人难以置信的。所以这绝对是令人惊讶的。

斯特罗加兹： 如果事情没有改变——就像我们可以想象一些什么都没有改变的思想实验一样，时间还会存在吗？时间是否独立于事件而存在？或者时间是事物正在发生变化这一事实的某种衡量标准？

维尔切克： 好吧，你当然可以想象 - 事实上，你可以构建物理基本定律的解决方案 - 与我们知道什么都没有发生的所有基本原理一致，并且 t 仍然是这些方程的一个组成部分——

斯特罗加兹： 那么空荡荡的宇宙还有时间吗？

维尔切克： 是的，时间仍然在方程式中。即使在这种情况下，你也可以问这样的问题：如果你对这个普遍平衡造成一点干扰，会发生什么？然后时间就会揭晓。因此，时间可能是潜在的，但在确定具体情况时似乎仍然有必要。我们谈论的是与时间无关的东西，但是如果你不说有一些东西它可能依赖于但它不依赖于时间，那么你就无法表述它。

斯特罗加兹： 这已经是一个有趣的答案了。你这么说我有点惊讶。我的意思是，我记得你喜欢哲学。我想你学过一点哲学，对吧？

维尔切克： 非常业余，以一种非常业余的方式。但实际上我最近一直在技术层面上思考这个问题。但想想一条河流，一条河流的流动。对于一条非常有规律地流动的河流，您可以有两种不同的描述。

因此，在一种描述（技术上称为欧拉描述）中，您可以指定每个位置的流速，这将为您提供河流流量的完整描述。如果流量是有规律的，那可能什么也不会发生。速度不会随时间改变。

斯特罗加兹： 权利。

维尔切克： 然而，还有另一种描述，与拉格朗日的名字相关。这是一种内部描述，你可以追踪单个水分子的流动。然后这些样本以局部速度移动。随着时间的推移，他们处于不同的位置，所以他们看到的速度也不同。尽管速度最初是位置的函数，而不是时间的函数。但从内部来看，当你顺应潮流本身时，事情就会发生。

所以，这两种描述都是有效的。如果我们称这条河为宇宙，那么宇宙在某种意义上并没有改变。但从内部经验来看，它正在发生变化。当您在河流中顺流而下时，就有足够的动态发展空间。

我认为这可能是宇宙中正在发生的深层次的事情。如果你想要一个内部描述——拉格朗日描述，而不是欧拉描述——这并不矛盾。这只是从内部或外部观察同一物体、同一现实的不同方式。人眼视图与神眼视图。

斯特罗加兹： 我确实想和你一起探索科学史上不同的时间概念，比如从牛顿到爱因斯坦。但此时此刻，我只想问你——当然，有趣的是，我们在讨论时间时一直在谈论时间。就像我说的，“此时此刻，我要问你一个关于时间的问题。”

维尔切克： 很难逃脱，不是吗？

斯特罗加兹： 很难逃脱！

维尔切克： 他们就是这么说的。如果这是一个幻觉，那也是一个非常令人信服的幻觉。

斯特罗加兹： 这是一个非常令人信服的幻觉。这就是我想要的：我们知道，爱因斯坦深受一位名叫马赫的科学家/哲学家的影响， 恩斯特马赫。我们谈论声音中的马赫数，但它是同一个马赫数。好吧，但是：马赫。这家伙对事物的操作定义非常感兴趣吗？因此，爱因斯坦坐在专利办公室里，思考时间，开始说：“时间是时钟测量的。”

你在这方面写了很多 基本原理，我认为这是对事物的一个非常有趣的看法。你想要——你能重复一下这个想法吗？比如，我们是否应该将时间视为时钟测量的东西，而不是一些更模糊的时间定义？

维尔切克： 嗯，我想是的，如果我们想从根本上科学且富有成效地思考时间的话。但让我稍微限定一下。

斯特罗加兹： 它需要一些拆包。

维尔切克： 英语单词“time”涵盖了很多方面，可以有不同的含义，就像“energy”一样，好吗？在科学讨论的背景下，能量意味着非常具体的东西。但在通用语言中，它具有更广泛的含义，但也有模糊的边缘。

因此，与时间类似，当我说“时间是时钟测量的”时，我指的是非常富有成果的时间科学概念，它可以非常精确地走得很远。为了正确理解这一说法，您还必须扩大时钟的概念。

时钟是世界上任何以任何方式变化的东西，因为规律是根据事物如何随该变量变化而变化的 t。一切都会改变，而且会以不同的方式改变。他们移动。它们发生化学反应。他们在生物学意义上衰老。值得注意的是，方程中的这个变量是这一切的基础。

所以你可以拥有按照非常非常不同的原理工作的时钟。你可以拥有监测地球绕太阳运动的东西。你可以有监控水流的东西，比如水钟。你可以有一个基于观看的时钟 一个人如何变老，一个人变老了。这不会是一个非常精确的时钟，但是，原则上，如果你深入研究生物化学， 它可以变得精确。时钟的种类有很多很多，但它们都是一致的。

因此，当我说时间是时钟测量的时，这不仅仅是一个操作声明。它有非常重要的内容。它表示，所有经过正确校准和理解的时钟，无论它们基于什么原理，都将能够就时间达成一致。

斯特罗加兹： 我们马上回来。

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斯特罗加兹： 欢迎回到“为什么的喜悦”。

从哲学转向科学史，在我看来，科学成功故事的很大一部分，尤其是我们通常所说的 1600 年代及以后的科学革命，与能够很好地开始测量时间。伽利略、惠更斯、牛顿以及他们的继任者与优质摆钟开始制造的同时期并非偶然。而且你可以用一种在拥有良好的计时设备之前很难得到的方式来得到运动定律。

你认为这是对的吗？我们的科学进步真的取决于测量时间的能力吗？

维尔切克： 这确实有帮助。尤其是如果你扩大时间的定义以包括行星的规则运动，就像开普勒定律，行星在相同的时间内扫过相同的面积。当然，这一观察对于开普勒定律的制定至关重要，再加上伽利略对摆和落体的研究，所有这些都导致了科学革命的顶峰：牛顿对经典力学和万有引力定律的阐述。所以，是的，这一切很大程度上都是基于从广义上讲，及时带来的考虑。

斯特罗加兹： 那么，如果我们快进——当然，仍然坚持这些时间双关语——现在就向前推进到爱因斯坦。在爱因斯坦身上，我们开始真正看到一些非常奇怪的事情——对于很多人来说，违反直觉的事情正在发生。

维尔切克： 好吧，在对超越牛顿理解的引力相互作用进行更丰富的描述时，甚至在此之前，在试图公正地对待电动力学方程的对称性时，爱因斯坦得出了一个更灵活的时间概念。

让我从历史上最先出现的狭义相对论开始。如果您在一个封闭的实验室中，并且只是在以恒定速度相对于彼此移动的实验室中进行实验，那么无论速度是多少，您都会得出相同的定律。这就是狭义相对论的本质。但要做到这一点，事实证明，一个人称之为时间，另一个人称之为空间和时间的混合体。这是一个数学上简单的混合物。这就是我们所说的线性组合，但它绝对是空间和时间的混合。因此，这引入了这样的想法：定义时间具有一定的灵活性。

您可以使用一段时间获得具有相同内容的有效物理定律 t 或者不同的时间， t $乳胶^{prime}$ [t-prime]，这是一个混合物 t 和 x，其中 x 是位置。这就是狭义相对论。

这真是一个很大的惊喜。因为例如牛顿认为时间是一回事。牛顿在很大程度上是一位神学家，他非常认为他在工作中所做的就是理解上帝是如何工作的。我认为，他认为上帝将他的心理时间强加于世界。对于牛顿来说，时间可能有不同的有效定义的想法是非常陌生的。

但这就是爱因斯坦的假设，这使你能够得到物理定律的非常好的公式，并找到其中的规律性，否则很难找到这些规律。

然后，在广义相对论中，它变得更加奇怪，因为你允许不同地方的不同人选择他们自己的 t 版本，选择这些时间中的哪个。这就是所谓的局部洛伦兹不变性。每个人都可以选择自己的空间和时间组合来使用。你必须以允许这些选择的方式制定方程。它们具有所谓的对称性。虽然如果人们做出不同的选择，方程的表述看起来会很不同，但它们的内容是相同的。只有非常特殊的方程才具有这种性质。

爱因斯坦凭借这一令人难以置信的天才壮举，能够从这一原理中导出改进的引力理论。时间与空间融为一体，整个时空可以弯曲。这些影响在实验室规模上非常非常小。但当你谈论宏观尺度时——地球和地球引力场的尺度，或者宇宙的尺度，或者在非常极端的条件下，比如黑洞中质量非常集中、空间弯曲的地方。然后，更灵活、可弯曲甚至液化的时间形式就会出现。

斯特罗加兹： 唔。我的意思是，有很多相对论测试，以及在飞机上携带原子钟的实验。如果人们没有听说过你刚才提到的这些事情，那可能听起来很荒诞。但我们有非常充分、有力的证据证明它们都是真的 甚至包括 GPS 小工具 我们在汽车中使用的。你知道，我的意思是，如果广义相对论和狭义相对论，如果我们不考虑这些……

维尔切克： 好吧，GPS 不起作用，因为在 GPS 中获得准确的时间非常重要。在 GPS 系统的工作中，您可以使用非常精确的计时来推断距离，这取决于光速是一个普遍常数这一事实。我有点过于简单化了，但这基本上是事实，是的。

而且由于与日常速度相比，光速非常非常大，因此时间测量中的微小错误都会反映为距离的显着变化。因此，如果你在对待时间的方式上犯了小错误，它们就会被放大为更大的错误，空间上的重要错误。因此，为了使 GPS 成为一个有用的系统，您必须非常非常准确地对待时间。

斯特罗加兹： 是的，事实上卫星位于高处，那里的引力场较弱。你知道，所有这些卫星都是 GPS 系统的一部分，而且它们在那里移动得非常快。所有这些事情都必须考虑和纠正，我只是认为这是一个很好的例子，你知道，你可能会认为我们的爱因斯坦只是关于黑洞或整个宇宙，但是 -

维尔切克： 嗯，如果你回顾一下爱因斯坦最初的狭义相对论论文，如果你愿意的话，他谈到了同步和关联不同的空间站，这样他们就可以就空间和时间的定义达成一致，这真的很了不起。稍微有点幽默感，你就会发现他所描述的是 GPS 系统。

斯特罗加兹： 哇。

维尔切克： 你知道，人们用杆和时钟移动，并使用光速作为同步和，然后测量距离的方式。没错，就是 GPS 系统。

斯特罗加兹： 哦，我从来没有想过这个。我有很多事情想问你。暗物质呢？我知道这是你的最爱之一。让我们听听吧。暗物质与时间有什么关系？

维尔切克： 从逻辑上讲，它与时间的联系充其量是微弱的，但这是一个非常有趣的故事，非常令人兴奋，我现在正在积极参与其中。所以 暗物质 是对整个现象网络的观察，其中似乎存在比我们所能追踪到的物质存在更多的引力、更多的引力。

它看起来很可能是一种新型粒子，它恰好与我们已经处理了几十年但仍然施加引力的物质相互作用非常非常微弱。我想我知道它是什么，并且正在形成一种共识，认为这是一个好主意 - 一种叫做轴子的东西。现在，最后是与时间的联系。

轴子被引入物理学并不是作为产生暗物质的一种方式，而是作为解决定律的奇怪属性的一种方式：如果改变时间的方向，它们几乎相同或几乎具有相同的内容。因此，尽管宏观经验并非如此，但微观规律却确实如此。

为什么？我们有一个非常精彩的故事。

相对论和量子力学的原理以及标准模型的深层对称性（即控制其他力本质的所谓规范对称性）有力地限制了物质之间的相互作用。因此，如果您假设这些原理是正确的，那么您就会受到物理定律的强大限制。

事实证明，作为这些限制的几乎偶然的结果，法律在时间上的前后运行几乎相同。所以这是理论理解的巨大胜利。

但它还没有完全完成。我应该说，有一种与基本定律、基本原则相一致的相互作用，它会遵守所有这些原则，但在时间上是不可逆的。人们发现这种相互作用也非常非常小。

所以要深刻地理解这一点，主导思想是引入另一个大原理。这是一个叫做 佩切-奎因对称性 after 介绍它的物理学家.

然后我们中的一些人意识到，作为这个新原理的结果，有人预测必须存在一种我称之为轴子的新型粒子，它具有绝对非凡的特性。预计它与普通物质的相互作用非常非常微弱。然后我们意识到，如果你通过大爆炸运行方程，它就会以正确的方式产生，从而形成天文学家观察到的暗物质。

至少可以说，这是非常令人鼓舞的，它自动解决了另一个宇宙学问题。过去几十年发生的奇妙的事情——尤其是现在的速度正在加快——是可以设计实验来检测它们是否存在。

实验非常困难。这就像检测中微子的问题，但更难——也许一旦我们学会了正确的技巧，它就不会显得那么难了。但这些实验正在进行中。五到十年后我们会知道更多。

斯特罗加兹： 我喜欢你在结束我们的节目时提到五到十年，因为我想以某种希望令人心酸或情感丰富的方式结束，你的很多特别出名的作品，你都得到了获得诺贝尔奖，正处于您职业生涯的开始阶段。如果五到十年后这些轴子被测量并发现是正确的，那不是一件令人高兴的事情吗？

维尔切克： 这会让我很开心。我希望这不会是我职业生涯的结束，但这肯定会让我很开心。

斯特罗加兹： 弗兰克，我很高兴能够再次与你交谈。因此，我们一直在与理论物理学家弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）谈论时间的神秘和美丽。弗兰克，非常感谢您今天和我们在一起。

维尔切克： 谢谢。正如他们所说，这是一种荣誉和特权。

【主题剧】

斯特罗加兹： 感谢收听。如果您正在享受“The Joy of Why”并且尚未订阅，请在您正在收听的地方点击订阅或​​关注按钮。您还可以对节目发表评论。它可以帮助人们找到这个播客。

“The Joy of Why”是一个播客 广达杂志，一份独立编辑的出版物，由 西蒙斯基金会。西蒙斯基金会的资助决定不会影响本播客或其他内容的主题选择、嘉宾或其他编辑决定 广达杂志.

《为什么的喜悦》的制作人 PRX制作公司。制作团队包括 Caitlin Faulds、Livia Brock、Genevieve Sponsler 和 Merritt Jacob。 PRX Productions 的执行制片人是乔斯林·冈萨雷斯 (Jocelyn Gonzales)。摩根教堂和埃德温奥乔亚提供了额外的帮助。

从 广达杂志、John Rennie 和 Thomas Lin 提供编辑指导，并得到 Matt Carlstrom、Samuel Velasco、Nona Griffin、Arleen Santana 和 Madison Goldberg 的支持。

我们的主题音乐来自APM Music。播客名称是朱利安·林想出来的。剧集艺术由 Peter Greenwood 创作，我们的徽标由 Jaki King 和 Kristina Armitage 创作。特别感谢哥伦比亚新​​闻学院和康奈尔广播工作室的伯特·奥多姆-里德。

我是你们的主持人，史蒂夫·斯特罗加茨。如果您对我们有任何疑问或意见，请发送电子邮件至 [电子邮件保护]. 谢谢收听。