物理学家实验证实时间可自然涌现 无需时钟

物理学家实验证实时间可自然涌现 无需时钟 Latest News

时间究竟是什么？它是否如同我们感知的那样是宇宙的基本属性？英国伯明翰大学的物理学家通过创造仅有24000个超冷原子的微型宇宙，在实验室中首次观察到时间可以从系统内部的熵变化中自然涌现，而不需要任何外部时钟。这项研究发表在2026年10月30日的《科学日报》上，为时间本质这一终极谜题提供了全新的实验线索。

时间未必是宇宙的基础属性

我们通常认为时间像一条单向河流，独立于万物均匀流逝。然而，一些量子引力理论，如惠勒-德维特方程，却暗示宇宙在基本层面上是一个静止的量子态，根本没有内置的时间变量。物理学家早就怀疑，时间可能并非宇宙的“地基”，而是从物质相互作用中衍生出来的“表象”。但如何用实验验证这一想法？伯明翰大学的研究团队用一簇超冷原子给出了答案。

微型宇宙实验：24000个原子如何构建时间舞台

为了模拟一个自洽的宇宙，乔瓦尼·巴隆蒂尼教授将大约24000个铷原子冷却到仅比绝对零度高几十亿分之一度的超低温，此时量子效应占主导。他们用两束不同频率的激光制造出一个薄薄的势垒，将系统分割为“明亮区”和“暗黑区”两个区域。整个体系与外界彻底隔离，但原子可以在两个区域之间自由穿梭。明亮区的原子云反复经历膨胀和收缩，分别对应宇宙大爆炸与假想中的“大挤压”。虽然这不是真正的宇宙学事件，但提供了一个可控的量子模型，用以研究在没有外部时钟的情况下，事件顺序如何被重建。

熵时间：从无序中诞生的一维之箭

关键在于熵——即粒子无序程度的度量。巴隆蒂尼教授并不依赖秒或分钟，而是通过观察明亮区内原子分布的扩散速率来定义系统的时间进程。当原子分布变得更散乱时，系统的“内部时间”向前推进；当分布不再变化时，这一特定形式的时间便停止。他们称这种概念为“熵时间”。实验显示，熵时间具有单向性，建立了物理学家所说的“时间之箭”，并能正确排列事件的先后顺序，即使在微型宇宙膨胀与收缩的交替中也是如此。令人惊讶的是，熵时间的流逝速度并非恒定——它会随着熵变率加快或减慢。

实验对比：传统时间与熵时间的核心差异

下表梳理了传统时间观念与本次实验所揭示的“熵时间”之间的本质区别：

这一对比表明，时间可能不是宇宙的固定“脚手架”，而是随物质状态变化而涌现的一种有效描述。

量子力学基础再审视：薛定谔方程也能用熵时间表达

巴隆蒂尼教授进一步证明，量子力学的基础方程——薛定谔方程——可以用熵时间重新表述。这意味着，即使没有传统的时间变量，我们依然可以描述系统量子态随内部变化的演化，并预测粒子出现在特定位置的概率。他说：“在某些宇宙理论（尤其是量子引力）中，时间并非固有特征。但日常生活中时间又从过去流向未来——为什么？当大多数基础物理定律在时间反演下不变时，这个箭头从何而来？我们的研究提供了首个受控实验证据：时间可以由系统内部的变化来定义，而非我们习惯的那个外部‘滴答作响的时钟’。”另一段引语中，他强调：“这项工作为量子引力中的时间本质提供了新见解，可用于像常规时间一样有效地描述动力学。

FAQ：关于时间涌现的常见问题

Q1: 时间如果是从物质变化中涌现的，那意味着我们的日常时间感是幻觉吗？

A1: 不完全是。实验表明，在量子系统内部，一种“操作性的时间”可以替代传统时钟。但这并不意味着我们感知的时间是假的。现实中的时间仍然稳固，只是其根本地位可能并非不可动摇——它可能是宇宙内部因果关系的副产品。巴隆蒂尼用24000个原子展示的正是这种可能性。

Q2: 这个实验能直接证明我们生活在一个没有时间的世界吗？

A2: 不能。实验是在一个极小的、高度受控的量子系统中进行的，无法直接外推到整个宇宙。但它首次提供了实验平台，让物理学家可以测试那些长期以来只存在于黑板上的理论，比如时间如何从非时间性的基础中涌现。未来更复杂的系统或许能进一步验证宇宙大爆炸和黑洞内部的类似过程。

展望：微型宇宙将如何重塑我们对时间的理解

虽然这个实验并没有证明时间是一种幻觉，但它表明，一个量子系统可以拥有有意义的内部时间，而不必依赖外界时钟。通过创造由24000个原子构成的微型宇宙，科学家获得了一个全新的实验工具，用于探索困扰物理学和哲学数百年的问题：是什么驱动了时间的流动？未来，类似的技术或许能模拟早期宇宙的极端状态，甚至帮助我们区分不同关于时间涌现的竞争理论。时间涌现这一概念正在从纯理论走向实证。

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英国伯明翰大学用24000个超冷原子创造微型宇宙，实验首次显示时间可借由系统内部熵变化自然涌现，无需外部时钟。这一成果为时间本质和量子引力研究提供可靠实验平台，引发对宇宙基本属性的重新思考。