時間到底是概念還是維度？時間與熵有什麼樣的必然聯繫？

今天我們討論一個和我們生活息息相關的科學概念，不僅在生活中，在科學領域裡這個概念也深深的烙在我們對幾乎所有事物的理解之中——它就是時間。我們就從一下幾個問題開始，去揭開時間的奧秘：

帶着這些疑惑，讓我們一起暢遊時間之河吧！

時間是什麼?它是真實的還是隻是一個概念?

宇宙中的時間

生活中我們經常談論時間，但我們很少思考時間是什麼。我們談論過去的好時光、壞時光、年少時那些無憂無慮的時光。我們常常說節省時間，抽點時間，縮短時間，消磨時間等等。時間不等人，慶幸的是，時間對每個人都是公平的，不論你貧窮或者富有，但大多數時候，我們總是抱怨時間不夠用。

現在是什麼時間?你看了一下手錶，14點？16點？·····等等。它是像空間和物質這樣的物質實體，還是我們通過經驗創造出來的抽象概念?這是一個5歲孩子都能問的最簡單的令人困惑的問題，也是最偉大的物理學家的發問。

追求時間的定義這要追溯到古希臘時期。自古以來，人們就對時間進行了大量的頭腦風暴。早期人類通過觀察太陽在天空中的位置來計算時間。

古代哲學家，柏拉圖在《蒂邁歐篇》，中認爲：

後來，他的學生亞里士多德在他的物理學第四卷中定義:

所以我們看到，時間過去是，現在仍然是一個讓人頭疼的問題。後來隨着科學技術的發展，我們越來越瞭解時間的不同方面的影響。但是我們仍然找不知道這個簡單問題的複雜性“什麼是時間？”,當有人問愛因斯坦時，他只是簡單地說:

這就是所謂的操作定義。但它更應該被稱爲一種逃避。

愛因斯坦的時鐘

那麼爲什麼我們不能解釋時間呢?在科學界這並不是唯一的情況，還有很多其他基本的問題擺在我們面前，我們也一樣沒有更清楚的解釋。就像生物學家幾十年來一直在爭論生命的定義，宇宙學家也一直在爭論宇宙的範圍和起源一樣。

給時間下定義很難，可能是因爲它在我們的經歷和思維方式中已經根深蒂固。時間將我們現在擁有的“現在”和我們以前擁有的“現在”聯繫起來。但時間也關乎未來，以及我們如何將它與過去和現在的經歷聯繫起來。

這就是物理學對時間的看法。事實上，時間是嵌入在物理的定義中，也許這就是爲什麼我們在定義時間時遇到困難的原因。百科是這樣定義物理學的:

所以在物理學的定義中，時間是一個元素。甚至“運動”這個詞也有時間的概念。實際上，物理學的基本工作是利用過去來理解未來。沒有時間，物理學就沒有意義。

那麼時間到底是什麼？這是一個維度嗎？

時間維度的快照

時間是一個因素，因爲它，我們現在的時刻消失在過去，我們走向未來。如果我們把我們的每一個瞬間都看作一張快照，我們會發現每一個瞬間都是靜止的，就像照片一樣。如果沒有時間這樣的概念，那麼宇宙就會是那些無法改變或運動的冰凍快照之一。

但幸運的是，我們的宇宙要有趣得多;它有運動和變化，每時每刻都有許多奇怪的事情發生。所以這些快照並不獨立存在於我們的宇宙中。時間以兩種重要的方式把它們聯繫起來：

大爆炸式爆脹:因果關係?

這就是物理定律的工作原理，在觀察了目前的狀態之後，它們告訴我們接下來會發生什麼，所以物理學家在努利尋找宇宙最初的時刻，用以推測大爆炸發生了什麼？

物理學也認爲時間是第四維度。

由於時間與宇宙的另一個基本部分：空間，有着驚人的相似之處，兩者都有可能是更大統一體的一部分。將我們穿越時間的旅程分割成靜態快照的邏輯也可以應用於空間(比如將一個固體切片得到一個平面，將一個平面切片得到一條直線，將一條直線切片得到一個點)。這使我們考慮到時間和空間密切相關的可能性。事實上，現代物理學認爲將它們以時空的形式結合。就像空間一樣，時間也可以被認爲是我們可以移動的另一個維度。

描述時空平面上的運動

事實上，在每一種運動中，時間都是一個基本的實體。物理學更好地使用時空平面來描述運動。如果我們把時間當作第四個維度(假設我們只有三個空間維度)，它在數學上就會變得更簡單、更清晰。

時間和空間之間的這種聯繫並不意味着你可以把時間看作是空間的一個維度，以及與之相關的所有含義。你可以把時間和空間想象成芒果和橘子，它們都是水果，但是它們的味道不同。還有更多的謎團有待揭開，請繼續閱讀。

爲什麼時間會向前移動?它會停止或逆轉嗎？

時光無情地流逝

想象時光倒流，你會變得年輕而不是衰老，忘記你的經歷，忘記你所知道的一切，最終你會在父母的眼中的一閃而過。這就是科幻作家菲利普·k·迪克(Philip K. dick)在他的小說《時鐘世界》(Counter-Clock World)中對時間的描述。但不幸的是，這在我們的宇宙中是不可能的。時間的方向是宇宙學家正在努力解決的另一個問題。

我們可以記住過去發生的事情，但不能記住將來發生的事情。時間似乎有它偏愛的方向。最基本的問題是:“時間爲什麼向前移動?”長期以來，這個問題一直困擾着物理學家。事實上“時間向前”到底是什麼意思?

熵增加的最終結果

爲什麼時間會沿着它的方向運動?時間之箭的概念可以追溯到路德維希·玻爾茲曼(1870)的時代，他發現了一種叫做“熵”的東西。熵是無序的量度，它趨於增長。這是熱力學第二定律:在這個宇宙中，熵隨時間增加而增加，使事物變得更加無序。例如，如果你把文件整齊地堆放在桌子上，然後走開，當你回來的時候，你會發現它們變亂七八糟，這時你不必驚訝，也不必問這是誰幹的，這就是熵，宇宙中的基本法則，所以下次有人打翻了你的水杯，摔碎你的手機這種事，你也不必生氣，因爲他也是順應宇宙的發展嘛！

熵是一個物理定律，它關心時間是如何流動的。但許多過程，比如影響氣體分子相互反彈的運動學定律，即使時間倒流，也能完美運作。但是，總的來說，它們遵循着一個規律，即要求順序量隨時間遞減。所以，時間和熵有密切的聯繫。但是我們不能說是熵使時間流動還是時間之箭使熵增加。

時間-熵可能性

即使我們接受時間流動是由熵增加引起的觀點，但爲什麼熵在大爆炸之前如此之低呢?大爆炸之前沒有時間維度嗎?

很難相信宇宙的信息文件是整齊地堆放在宇宙之初的。這種極端的秩序是如何在宇宙中實現的?

這真的很奇怪，不是嗎?但物理學家肖恩·卡羅爾卻有不同的看法。他認爲我們的宇宙是更大的多元宇宙的一部分。比如，桌子上可以整齊地堆放文件(低熵)。但是那張桌子是一個房間的一部分，那個房間是房子的一部分，那房子坐落在城市裡。所以桌子上可能有一個低熵條件但是整個城市都有高熵條件。通過這種思路，肖恩·卡羅爾暗示大爆炸並不是開始。如果這是正確的，那麼問題就變成了“爲什麼宇宙的一部分會經歷低熵狀態?”這個問題可能更容易回答。

肖恩·卡羅爾的多元宇宙模型

所以，肖恩·卡羅爾提出了一個不同的宇宙模型。他提出了一個靜態宇宙(或者更確切地說，一個多元宇宙)，在那裡時間之箭不存在。沒有未來和過去之爭，一切都是平等的。從那個靜止的宇宙中，不同的小宇宙爆炸，並向不同的時間方向運動。沒有時間的存在，靜止的宇宙中怎麼發生任何事情呢?對此，肖恩·卡羅爾認爲宇宙中發生的事件沒有因果關係，沒有進步，沒有記憶也沒有衰老，新陳代謝等等。只是隨機波動。就像在量子力學中，事情偶爾會發生。

時間除了向前走，我們從來沒有見過時間做任何事情。但如果時間箭頭是熱力學第二定律即熵增的函數，那麼就可以做出一些推測。當宇宙達到最大熵時會發生什麼?宇宙將處於最高的無序狀態，在沒有秩序可言的地方將保持平衡。在那一刻，時間要麼停止，要麼就沒有意義了。

一些哲學家甚至推測，在那一刻，時間之箭將會反轉，熵將開始減小，導致宇宙收縮回一個微小的奇點。但這更多的是一種猜測，而不是科學預測。我們根本不知道到那時宇宙會發生什麼。

總結——雖然我們不能準確的定義時間，但你確實是能感覺到時間，因爲你經常說你快下班了。

我們能感覺到現在

時間不僅是我們生活的一部分，也是整個宇宙的一部分。物理學家們正努力解決這些讓人頭疼的時間特性。我們不能停止時間來研究它，我們也不能對同一事件進行重複的時間測量。但是，正如人類的好奇心所要求的那樣，對知識的探索一直存在。但“時間是什麼?”這個問題並沒有結束。時間還有許多令人驚訝的特性有待研究。這是個永恆的話題。