及時行樂，歲月不饒人。
17世紀英國詩人羅伯特·赫裡克如是寫道，捕捉了“光陰似箭”這一普遍的陳詞濫調。 誰又能懷疑它不是這樣呢？ 時間的流逝可能是人類感知最基本的方面，因為我們感受到時間在我們內心深處悄然流逝，這種方式比我們對空間或質量的體驗更親切。 時間的流逝被比作飛逝的箭矢和奔流不息的河流，無情地將我們從過去帶向未來。 莎士比亞寫到了時間的飛輪，他的同胞安德魯·馬維爾寫到了時間之翼戰車匆匆駛近。
儘管這些意象引人入勝，但它們與一個深刻而具有破壞性的悖論相悖。 已知的物理學中沒有任何東西與時間的流逝相對應。 事實上，物理學家堅持認為時間根本不流動； 它只是存在。 一些哲學家認為，時間流逝的概念本身就是荒謬的，而關於時間的河流或流動的說法是基於誤解。 物理世界經驗中如此基本的東西怎麼會變成身份誤判的案例？ 或者，是否存在科學尚未發現的時間的關鍵屬性？
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時間並非本質
在日常生活中，我們將時間分為三個部分：過去、現在和未來。 語言的語法結構圍繞著這種基本區分而展開。 現實與當下時刻相關聯。 我們認為過去已經消失，而未來則更加虛無縹緲，細節尚未形成。 在這幅簡單的圖景中，我們意識中的“現在”穩步向前滑動，將曾經在未成形的未來中的事件轉化為具體的但轉瞬即逝的現在現實，然後將它們降級為固定的過去。
儘管這種常識性的描述看似顯而易見，但它與現代物理學嚴重不符。 阿爾伯特·愛因斯坦在給朋友的信中寫道，過去、現在和未來都只是一種幻覺，即使是頑固的幻覺，他因此而聞名。 愛因斯坦令人震驚的結論直接源於他的狹義相對論，該理論否認當下時刻具有任何絕對的、普遍的意義。 根據該理論，同時性是相對的。 如果從一個參考系觀察，同時發生的兩個事件，如果從另一個參考系觀察，可能會在不同的時刻發生。
像“現在火星上正在發生什麼？”這樣看似無害的問題沒有明確的答案。 關鍵點在於地球和火星相距遙遠——最遠可達約 20 光分鐘。 由於資訊傳播速度不可能超過光速，因此地球上的觀察者無法在同一瞬間知道火星上的情況。 他必須在事件發生後，當光有機會在行星之間傳遞時，才能推斷出答案。 推斷出的過去事件將因觀察者的速度而異。
例如，在未來載人火星探險期間，地球上的任務控制人員可能會說：“我想知道瓊斯指揮官現在在阿爾法基地做什麼。” 看著他們的時鐘，看到火星上的時間是下午 12:00，他們的答案可能是“正在吃午餐”。 但是，同一時刻以接近光速的速度掠過地球的宇航員，在檢視他的時鐘後，可能會說火星上的時間早於或晚於 12:00，具體取決於他的運動方向。 該宇航員對關於瓊斯指揮官活動的問題的回答將是“正在做午餐”或“正在洗碗”[參見第 86 頁的方框]。 這種不匹配是對任何試圖賦予當下時刻特殊地位的嘗試的嘲弄，因為那個時刻指的是誰的“現在”？ 如果你和我處於相對運動狀態，那麼我可能判斷為尚未確定的未來的事件，對你來說可能已經存在於固定的過去中。
最直接的結論是，過去和未來都是固定的。 因此，物理學家更傾向於將時間視為完全展開的——一個時間景觀，類似於景觀——所有過去和未來的事件都位於那裡。 這是一種有時被稱為“塊狀時間”的概念。 在對自然的這種描述中，完全沒有將特權特殊時刻挑出來作為現在的任何東西，也沒有任何系統地將未來事件變成現在，然後變成過去事件的過程。 簡而言之，物理學家的時間不會流逝或流動。
時間如何不飛逝
多年來，許多哲學家透過研究我們通常所說的時間流逝，得出了相同的結論。 他們認為這個概念在內在邏輯上是不一致的。 畢竟，“流動”的概念指的是運動。 透過衡量物理物體（例如穿過空間的箭）的位置如何隨時間變化，來談論物理物體的運動是有意義的。 但是，時間本身的運動可以附加什麼含義呢？ 相對於什麼運動？ 其他型別的運動將一個物理過程與另一個物理過程聯絡起來，而所謂的時間流動則將時間與自身聯絡起來。 提出一個簡單的問題“時間流逝有多快？” 暴露了這個想法本身的荒謬性。 瑣碎的答案“每秒一秒”根本沒有告訴我們任何資訊。
儘管我們發現在日常事務中提及時間流逝很方便，但這個概念並沒有傳達任何沒有它就無法傳達的新資訊。 考慮以下情景：愛麗絲希望過一個白色聖誕節，但是當聖誕節來臨時，她很失望，因為只下雨了； 然而，她很高興第二天下了雪。 儘管這種描述充滿了時態和對時間流逝的提及，但僅僅透過將愛麗絲的精神狀態與日期相關聯，就可以傳達完全相同的資訊，這種方式省略了所有對時間流逝或世界變化的提及。 因此，以下冗長而相當枯燥的事實目錄就足夠了：
12月24日：愛麗絲希望過一個白色聖誕節。
12月25日：下雨了。 愛麗絲很失望。
12月26日：下雪了。 愛麗絲很高興。
在這種描述中，沒有任何事情發生或改變。 僅僅是世界在不同日期的狀態以及愛麗絲相關的精神狀態。
類似的論點可以追溯到古希臘哲學家，如巴門尼德和芝諾。 一個世紀前，英國哲學家約翰·麥克塔格特試圖明確區分對世界的描述，即根據事件發生的描述（他稱之為 A 系列），以及根據與世界狀態相關的日期的描述（B 系列）。 每一種似乎都是對現實的真實描述，但兩種觀點似乎相互矛盾。 例如，愛麗絲失望的事件曾經在未來，然後在現在，然後在過去。 但是過去、現在和未來是互斥的類別，那麼一個單一的事件怎麼可能具有屬於所有三個類別的特徵呢？ 麥克塔格特利用 A 系列和 B 系列之間的這種衝突來論證時間本身的不真實性，這可能是一個相當極端的結論。 大多數物理學家會以不那麼戲劇化的方式表達：時間的流逝是不真實的，但時間本身與空間一樣真實。
恰逢其時
在關於時間流逝的討論中，一個主要的困惑來源是它與所謂的“時間之箭”的聯絡。 否認時間流動並不是聲稱過去和未來的指稱沒有物理基礎。 世界上的事件無疑形成一個單向序列。 例如，掉在地上的雞蛋會摔成碎片，而相反的過程——破碎的雞蛋自發地組裝成一個完整的雞蛋——是永遠不會發生的。 這是熱力學第二定律的一個例子，該定律指出，封閉系統的熵（粗略定義為它的無序程度）會隨著時間的推移而增加。 完整的雞蛋比破碎的雞蛋具有更低的熵。
因為自然界中充滿了不可逆轉的物理過程，所以熱力學第二定律在時間軸上過去和未來方向之間在世界上留下明顯的非對稱性方面起著關鍵作用。 按照慣例，時間之箭指向未來。 然而，這並不意味著箭正在向未來移動，正如指南針指標指向北方並不表示指南針正在向北移動一樣。 這兩個箭頭都象徵著不對稱性，而不是運動。 時間之箭表示世界在時間上的不對稱性，而不是時間的不對稱性或流動。 過去和未來的標籤可以合法地應用於時間方向，正如向上和向下可以應用於空間方向一樣，但是談論過去或未來就像談論向上或向下一樣毫無意義。
過去性或未來性與過去或未來之間的區別，可以透過想象一部電影來生動地說明，例如，雞蛋掉到地板上並破碎。 如果膠片在放映機中倒放，每個人都會看到這個序列是不真實的。 現在想象一下，如果將膠片剪成幀，並將幀隨機打亂。 對於某人來說，將一堆幀重新排列成正確排序的序列將是一項簡單的任務，破碎的雞蛋在堆疊的頂部，完整的雞蛋在底部。 這個垂直堆疊保留了時間之箭所暗示的不對稱性，因為它在垂直空間中形成了一個有序的序列，這證明時間的不對稱性實際上是世界狀態的屬性，而不是時間本身的屬性。 實際上不需要將膠片作為電影放映才能辨別時間之箭。
鑑於大多數物理學和哲學對時間的分析都未能發現任何時間流動的跡象，我們仍然面臨著某種神秘之處。 我們應該將世界處於持續變化狀態的強烈而普遍的印象歸因於什麼？ 一些研究人員，特別是已故諾貝爾獎獲得者化學家伊利亞·普里戈金，認為不可逆過程的微妙物理學使時間流動成為世界的客觀方面。 但我和其他人認為這是一種錯覺。
畢竟，我們並沒有真正觀察到時間的流逝。 我們實際觀察到的是，世界後來的狀態與我們仍然記得的早期狀態不同。 我們記住過去而不是未來的事實，是對時間不對稱性而不是時間流逝的觀察。 除了有意識的觀察者之外，沒有人能記錄時間的流逝。 時鐘測量事件之間的時間間隔，就像捲尺測量地點之間的距離一樣； 它不測量一個時刻接替另一個時刻的速度。 因此，時間的流逝似乎是主觀的，而不是客觀的。
活在當下
這種錯覺迫切需要解釋，而這種解釋需要在心理學、神經生理學，甚至可能是語言學或文化中尋找。 現代科學才剛剛開始考慮我們如何感知時間流逝的問題； 我們只能推測答案。 這可能與大腦的功能有關。 如果你轉幾圈然後突然停下來，你會感到頭暈。 主觀上，似乎世界相對於你在旋轉，但是你眼睛的證據足夠清楚：事實並非如此。 你周圍環境的明顯運動是內耳液體旋轉產生的錯覺。 也許時間流動也是類似的。
時間不對稱性有兩個方面可能會產生時間正在流逝的錯誤印象。 第一個方面是過去和未來之間的熱力學區別。 正如物理學家在過去幾十年中意識到的那樣，熵的概念與系統的資訊內容密切相關。 因此，記憶的形成是一個單向過程——新的記憶會增加資訊並提高大腦的熵。 我們可能會將這種單向性感知為時間的流動。
第二種可能性是，我們對時間流逝的感知在某種程度上與量子力學有關。 從量子力學提出的早期開始，人們就認識到時間以一種獨特的方式進入該理論，與空間完全不同。 時間的特殊作用是量子力學與廣義相對論如此難以融合的原因之一。 海森堡不確定性原理（根據該原理，自然本質上是不確定的）意味著開放的未來（以及，就此而言，開放的過去）。 這種不確定性在原子尺度上表現得最為明顯，並決定了表徵物理系統的可觀察屬性通常從一個時刻到下一個時刻都是不確定的。
例如，一個電子撞擊一個原子可能會在許多方向上彈開，並且通常不可能預先預測在任何給定情況下結果會是什麼。 量子不確定性意味著對於特定的量子態，存在許多（可能是無限的）替代未來或潛在現實。 量子力學提供了每個可觀察結果的相對機率，儘管它不會說哪個潛在未來註定要成為現實。
但是，當人類觀察者進行測量時，只會獲得一個結果； 例如，會發現反彈的電子沿某個方向移動。 在測量行為中，一個單一的、特定的現實從大量的可能性中投射出來。 在觀察者的頭腦中，可能性轉變為現實，開放的未來轉變為固定的過去——這正是我們所說的時間流動。
物理學家對這種從多種潛在現實到單一現實的轉變如何發生尚未達成共識。 許多物理學家認為，這與觀察者的意識有關，理由是正是觀察行為促使自然界下定決心。 一些研究人員，例如牛津大學的羅傑·彭羅斯，認為意識——包括時間流動的印象——可能與大腦中的量子過程有關。
儘管研究人員未能找到大腦中存在單一時間器官的證據，例如視覺皮層，但未來的工作可能會確定那些負責我們時間流逝感的腦部過程。 可以想象，有些藥物可以暫停受試者對時間正在流逝的印象。 事實上，一些冥想練習者聲稱能夠自然地達到這種精神狀態。
如果科學能夠解釋時間流逝呢？ 也許我們將不再為未來煩惱，也不再為過去悲傷。 對死亡的擔憂可能變得像對出生的擔憂一樣無關緊要。 期望和懷舊可能不再是人類詞彙的一部分。 最重要的是，附著在如此多人類活動上的緊迫感可能會消失。 我們將不再是亨利·沃茲沃思·朗費羅懇求我們行動起來的奴隸，在當下行動起來，因為過去、現在和未來實際上都將成為過去的事情。
作者
保羅·戴維斯 是一位理論物理學家，也是悉尼麥考瑞大學澳大利亞天體生物學中心的自然哲學教授。 他是最多產的物理學普及書籍作家之一。 他的科學研究興趣包括黑洞、量子場論、宇宙的起源、意識的本質和生命的起源。