研究顯示，時(shí)間能夠自然涌現(xiàn)，無(wú)需外部測(cè)量。

使用“熵時(shí)間”表述的“亮區(qū)”密度分布。Giovanni Barontini

來(lái)自伯明翰大學(xué)的科學(xué)家Giovanni Barontini近日在實(shí)驗(yàn)室里構(gòu)建了一個(gè)“小宇宙”，并試圖通過(guò)這種方法，來(lái)解答宇宙間最大的謎團(tuán)之一——什么是時(shí)間。

研究結(jié)果顯示，時(shí)間能夠從實(shí)驗(yàn)中自然涌現(xiàn)，而無(wú)需借助外部時(shí)鐘的測(cè)量。

某些物理學(xué)理論，比如Wheeler-DeWitt方程認(rèn)為，在最深的層面上，時(shí)間并非一種基本物理量。它們將宇宙視為一個(gè)沒有外部時(shí)鐘的整體，所謂的時(shí)間是在宏觀近似下，從其內(nèi)部各部分的關(guān)系中涌現(xiàn)出來(lái)的。

研究人員使用24000個(gè)原子，制造了一個(gè)超冷云團(tuán)。這些原子的溫度幾乎等同于絕對(duì)零度，它們構(gòu)成了一個(gè)封閉的量子系統(tǒng)，可以用來(lái)模擬簡(jiǎn)化版的“宇宙”。

這些原子被一個(gè)由兩條激光束構(gòu)成的屏障俘獲并分割成了兩部分：一部分是可觀測(cè)的“亮區(qū)”，另一部分是不可觀測(cè)的“暗區(qū)”。原子能夠在“亮區(qū)”和“暗區(qū)”之間移動(dòng)，但整個(gè)系統(tǒng)與外部世界是隔絕的。

“亮區(qū)”會(huì)不斷地膨脹和收縮，如同宇宙大爆炸和大擠壓——大擠壓是一種假想狀態(tài)，它認(rèn)為宇宙的膨脹最終會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，時(shí)間可能是從量子系統(tǒng)內(nèi)部的變化中涌現(xiàn)的，而并非某種獨(dú)立在外的東西。它們從原子在系統(tǒng)內(nèi)的無(wú)序或擴(kuò)散狀態(tài)（熵）中涌現(xiàn)，是原子的行為方式。實(shí)驗(yàn)中，事件序列可以在“小宇宙”內(nèi)自行重建，而無(wú)需外部時(shí)鐘測(cè)量的介入。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)“亮區(qū)”中的粒子分布隨著原子的進(jìn)出而增減時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)便開始“在時(shí)間中推進(jìn)”。而當(dāng)這些粒子的分布不再發(fā)生變化，時(shí)間實(shí)際上就停止了。

Barontini稱這種時(shí)間為“熵時(shí)間（entropic time）”。

“熵時(shí)間”有三個(gè)特點(diǎn)。其一為有一致的方向，呈現(xiàn)出清晰的“時(shí)間之箭（arrow of time）”；其二是在像“小宇宙”這樣反復(fù)擴(kuò)張收縮的系統(tǒng)內(nèi)，能夠正確地將事件進(jìn)行排序；其三是能夠隨熵的流動(dòng)而加減速。

研究人員表示，在某些理論，尤其是量子引力論中，時(shí)間并非宇宙的固有特性。在日常生活中，時(shí)間始終從過(guò)去流向未來(lái)。但在大多數(shù)基礎(chǔ)物理學(xué)定律中，時(shí)間的方向并不被在意。

此次研究首次提供了受控實(shí)驗(yàn)證據(jù)，表明“時(shí)間”可由系統(tǒng)內(nèi)部的變化來(lái)定義，而不需要外部時(shí)鐘的測(cè)量。它為量子引力論中的時(shí)間本質(zhì)提供了新見解，也能和傳統(tǒng)的時(shí)間概念一樣有效地解釋動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。

研究顯示，量子力學(xué)中用以描述量子系統(tǒng)狀態(tài)，即波函數(shù)如何隨時(shí)間而演化的“薛定鍔方程”，可以用“熵時(shí)間”進(jìn)行表述。

實(shí)驗(yàn)也解答了一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，即在某些理論中，沒有內(nèi)置的時(shí)鐘，那么在沒有外部計(jì)時(shí)的情況下，該如何區(qū)分“先”和“后”？

參考

Testing the problem of time with cold atoms

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/1h9j-df4k