P.人们常常认为时间是一条河流，是一条自由流淌的小溪，它把我们从出生的光辉灿烂的早晨带到暮年的金色黄昏。它是将春天娇嫩的蓓蕾和夏天茂盛的花朵分开的跨度。
物理学家在某种程度上考虑时间。对于他们来说，时间是一种测量变化的手段 - 一种无限的一系列瞬间，如珠子串联，将未来的未来变为现在，并将目前的未来变为明确的过去。时间的概念允许研究人员在彗星将围绕太阳或信号遍历硅芯片时计算。每一步都在大自然的无数现象的演变中提供了偷看。
换句话说，时间是一个工具。事实上，这是第一个科学工具。时间现在可以切成薄片，薄为一秒钟的十万亿。但是被切片了？与大众和距离不同，我们的物理感官无法察觉。我们没有看到，听到，闻到，触摸或品味时间。然而，我们以某种方式测量它。作为理论家的干部试图延伸和改进相对论的一般性理论，爱因斯坦的重力定律，他们有时间的问题。一个大问题。
“这是一场危机，”加州大学的滨江大学数学家John Baez说，“，解决方案可能以新的方向服用物理。”不是我们日常世界的物理学。秒表，摆锤和氢气射时的秒表将继续在我们的低能量陆地环境中追踪大自然。当物理学家试图将宏观 - 宇宙合并其最古老的尺度时，危机产生了危机 - 用亚原子粒子的微观方式。
在牛顿时代，时间是特别的。每一分钟都由一个与正在研究的现象分开的通用时钟记录。在广义相对论中，这不再是正确的。爱因斯坦宣称时间不是绝对的——没有特定的时钟是特殊的——他描述引力如何工作的方程也考虑到了这一点。他的万有引力定律看起来是一样的，不管你用的是什么表。“在广义相对论中，时间是完全任意的，”伦敦帝国理工学院的理论物理学家克里斯托弗·伊沙姆解释说。“从广义相对论中得出的实际物理预测并不取决于你对时钟的选择。”无论你是使用接近光速的时钟，还是安静地坐在家里的架子上，预测都是一样的。
然而，在物理学的其他领域，时钟的选择仍然至关重要，特别是量子力学。It plays a central role in Erwin Schrödinger’s celebrated wave equation of 1926. The equation shows how a subatomic particle, whether traveling alone or circling an atom, can be thought of as a collection of waves, a wave packet that moves from point to point in space and from moment to moment in time.
根据量子力学的观点，能量和物质被切割成离散的比特，称为量子，其运动是跳跃和模糊的。他们疯狂的波动。这些粒子的行为无法像火箭的轨道那样精确地计算出来。使用Schrödinger的波动方程，你只能计算一个粒子——一个波包——达到某个位置或速度的概率。这是一幅与经典物理学世界截然不同的图景，甚至连爱因斯坦都谴责它的不确定性。他宣称他绝不相信上帝会和这个世界玩骰子。
我们没有看到，听到，闻到，触摸或品味时间。然而，我们以某种方式测量它。
您可以说量子力学将模糊性引入物理：您可以针对粒子的精确位置确定，但在折衷时;然后不能很好地测量其速度。相反，如果你知道粒子的速度是多么快，你将无法确切地知道它的位置。Werner Heisenberg最好总结了这种奇怪和异国情调的情况，并以其着名的不确定性原则。但所有这一行动都不确定，就在空间和时间的固定阶段，是一个坚定的竞技场。始终需要一个可靠的时钟 - 总是需要，真的是跟踪导演，从而使物理学家能够描述系统如何变化。至少，这就是现在设置量子力学方程式的方式。
这就是问题的症结所在。物理学家如何能将物理学定律——也就是万有引力——与量子力学的亚原子定律结合在一起呢?在某种程度上，每种理论都在跟随不同鼓点(或不同时钟的滴答声)的节拍前进。
这就是为什么当你试图融合这两个物理区域时，为什么事情开始疯狂。虽然量子重力进入游戏的规模是如此之小，但目前的技术不能直接测量这些效果，物理学家可以想象它们。将量子颗粒放在Spacetime的弹性，柔韧垫上，它会像橡胶一样弯曲和折叠。并且这种灵活性将大大影响任何时钟跟踪粒子的操作。在那个微小的潜在的境地捕获的时钟可能类似于地震的颤抖和颤抖的摆锤劳动。“这里的竞技场正在受到量子效应，一个人留下没有什么可以突出的，”Isham解释道。“你最终可以在一个情况下，你没有任何时间概念。”但量子计算取决于保证的时间感。
F或者犹他大学的一般相对主义者和emeritus一般的相对主义者和教授，测量量子时间的关键是使用巧妙的数学来设计适当的时钟 - 他一直在尝试的几十年。保守的本质上，Kucha认为最好坚持你在继续更激进的解决方案之前知道你所知道的。因此，他一直在寻求可能被称为牛顿时钟的子宫内膜版本，这是一个可以用来描述由量子重力统治的非凡领域的物理学的量子计时员，例如黑洞的内部或第一个创造的瞬间。
与日常物理中使用的时钟不同，库恰假想的时钟不会站在角落里，不受周围发生的事情的影响。它将被设置在一个微小而密集的系统中，量子引力将在其中起主导作用，并将成为其中的一部分。这种局内人的状态有它的缺陷:时钟会随着系统的变化而变化——所以要跟踪时间，你必须弄清楚如何监控这些变化。在某种程度上，这就像每次你想看手表时，都得打开手表，检查它的工作情况一样。
这种特殊类型的时钟最常见的候选者就是“物质时钟”。”“当然，这就是我们自古以来使用的那种钟。我们身边所有的时钟都是由物质组成的。毕竟，传统的计时手段是选择一些物质介质，比如一组粒子或一种流体，并标记其变化。但有了笔和纸，库恰从数学上把物质时钟带入了量子引力的领域，在这个领域，引力场非常强，那些概率量子力学效应开始出现。他把时间花在以前没有时钟去过的地方。
但是，当你冒着这个领域时，Kucha说，“事物变得更加密度和密集。”这就是在这些极端条件下被选为时钟的任何形式的Achilles脚跟;它最终被压扁了。从一开始看起来可能看起来很明显，但古柯需要精确检查时钟如何破坏，所以他可以更好地了解这个过程并设计了建造理想时钟的新数学策略。
作为量子时钟，更有希望的是空间本身的几何结构:监测在襁褓中的宇宙膨胀或黑洞形成时时空曲率的变化。Kucha推测，在量子引力的极端条件下，这种性质仍然是可以测量的。不断膨胀的宇宙提供了这种模式最简单的例子。把刚刚诞生的小宇宙想象成一个正在膨胀的气球。最初，它的表面急剧弯曲。但是随着气球的膨胀，它表面的曲率变得越来越浅。“不断变化的几何形状，”Kucha解释道，“让你看到你是在某个时刻而不是另一个时刻。”换句话说，它可以起到时钟的作用。
不幸的是，Kucha目前研究的每一种时钟都有不同的量子描述，对系统行为的不同预测。Kucha解释说:“你可以用一个时钟来构建你的量子力学，把它放在时空中，然后得到一个答案。”
“但是如果选择其他类型的时钟，也许是一个基于电场的时钟，你得到一个完全不同的结果。很难说出哪些描述，如果有的话是正确的。“
它就像必须撬开你的手表并在每次想要引用它时检查它的工作。
超过那个，所选的时钟不得最终崩溃。量子理论表明，您可以减少空间的效果有一个限制。可想而知的最小量子的空间是10-33年厘米宽，普朗克长度，以量子的发明者马克斯·普朗克命名。在这个无限小的尺度上，时空画布变得波涛汹涌、混乱不堪，就像汹涌大海上的白浪。空间和时间变得脱节，开始在概率泡沫中忽隐忽现。正如我们所知道的，时间和空间不再容易定义。在这一点上，物理学变得不为人知，理论家开始步履维艰。正如物理学家保罗·戴维斯在他的书中指出的那样关于时间，“你必须想象所有可能的几何形状 - 所有可能的空间，空间翘曲和时间以一种鸡尾酒或'泡沫混合在一起。
只有一个完全开发的量子重力理论将显示在这种难以想象的小水平时期真正发生的。Kucha猜测一般相对论（尚未未知）的某些性质在这一点上不会经历量子波动。有些东西可能坚持而不是unplued。如果是真的，这样的财产可以作为Kucha一直在寻求这么久的可靠时钟。随着希望的，Kucha继续探索，一个逐个，各种各样的可能性。
Kucha一直试图将一般的相对性塑造成量子力学的风格，为此找到一个特殊的时钟。但是，一些其他物理学家试图了解量子重力认为，修改应该是另一种方式 - 应该在一般相对性的相似性上进行量子重力，其中时间被推入背景。Carlo Rovelli是这个观点的冠军。
F忘记时间，”罗韦利强调道。“时间只是一个实验事实。”罗维利是法国理论物理中心(Center of Theoretical Physics)的物理学家，他一直在研究一种基本永恒的量子引力理论。为了简化计算，他和他的合作者，物理学家Abhay Ashtekar和Lee Smolin建立了一个没有时钟的理论空间。通过这种方式，他们能够重写爱因斯坦的广义相对论，使用一组新的变量，使它更容易解释和适应在量子层面上的使用。
他们的配方允许物理学家探索以新的方式对沉袋的表现如何。但这真的可以在没有任何时间的情况下？“首先具有特殊的相对性，然后具有一般相对性，我们的古典时间概念仅疲软和较弱，”罗维利答案。“我们在时间方面思考。我们需要。但是，我们需要时间来执行我们的思想并不意味着它是现实。“
Rovelli认为，如果物理学家找到一个统一的法律，那么将所有的大学势力联系在一个横幅下，它将被编写，而无需参考时间。“那么，在某些情况下，”Rovelli说，“因为引力领域没有显着强烈，现实使自己组织起来，以便我们感知我们呼叫时间的流程。”
罗维利说，在最基本的物理定律中摆脱时间，可能需要一个重大的概念上的飞跃，就像16世纪哥白尼把太阳而不是地球放在宇宙中心时，科学家们所做的调整一样。这样做，这位波兰神职人员有效地推动了地球的运动，尽管在当时，很难想象地球如何在围绕太阳的轨道上飞速运转，而不把地球上的人甩出太阳表面。“在16世纪，人们认为移动的地球是不可能的，”Rovelli说。
但也许真正的规则是永恒的，包括那些应用于亚原子世界的规则。事实上，一场重写量子力学定律的运动正在进行中，这一革新在一定程度上是由时间问题和其他量子难题引发的。作为该计划的一部分，理论家们一直在重新定义量子力学最基本的方程，以消除与时间的直接关联。
在最小的尺度上，时间是没有意义的，就像一幅由点点颜料构成的点彩画，是无法近距离观察的。
这种方法的根源可以追溯到物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在20世纪40年代提出的一个程序，该方法已被其他一些人扩展和扩展，包括加州大学圣巴巴拉分校(University of California at Santa Barbara)的詹姆斯·哈特尔(James Hartle)和物理学诺贝尔奖得主穆雷·盖尔曼(Murray Gell-Mann)。
基本上，这是看待Schrödinger等式的一种新方法。根据最初的设定，这个方程允许物理学家计算粒子在特定时间内从a点直接移动到B点的概率。费曼提出的另一种方法是考虑粒子从A到B的无限路径，无论可能性有多小。时间作为一个因素被移除;只有潜在的途径是重要的。把这些可能性加起来(根据初始条件，有些路径比其他路径更有可能)，最终会出现一条特定的路径。
这个过程有时被比作波之间的干涉。当海洋中的两个波浪结合在一起时，它们可能会加强彼此(导致一个新的更大的波浪)或完全抵消彼此。同样地，您可能认为这些许多潜在路径是相互作用的——一些得到增强，另一些被破坏——以产生最终路径。更重要的是，时间不再是计算的变量。
Hartle一直在将这种技术适应他的追求量子宇宙学，这是一种努力，其中量子力学规律适用于年轻宇宙来辨别其演变。然而，他与各个粒子处理有可能描述一种不断变化的宇宙的所有配置，而不是处理各种配置，这是一种无限的潜在宇宙。当他总结这些不同的配置 - 一些彼此增强时，其他人互相取消 - 特定的时期最终会出现。通过这种方式，HARTLE希望在量子重力时代期间获得宇宙行为的线索。方便地，他不必选择一个特殊的时钟来执行物理学：时间消失为必不可少的变量。
当然，随着伊斯州的指出，“已经摆脱了时间，我们被迫解释我们如何回到普通世界，时间围绕着我们。”量子重力理论家都有他们的猎物。像Rovelli一样，许多人都在怀疑那个时间不是根本。这个主题在各种方法中一次又一次地解决了旨在解决时间问题的方法。他们说，时间可能更像诸如温度或压力的物理性质。当谈论一个粒子或一个原子时，压力没有意义;只有当我们考虑万亿原子时，才会产生压力的概念。时间的概念很好地分享了这种统计特征。如果是这样，那么现实将类似于炸射尖绘画。在最小的鳞片上 - 普朗克长度时间没有意义，就像一个炸料头绘画，从油漆的涂料建造，不能被欺骗关闭。
量子重力理论家喜欢将自己与考古学家进行比较。每个调查员正在挖掘不同的网站，找到一些庞大的地下城市的单独文物。查找的全部范围尚未实现。理论家迫切需要的是数据，实验证据可以帮助他们在不同的方法之间做出决定。
这似乎是一个不可能的任务，似乎需要重新创造大爆炸的地狱状况。但不一定。例如，未来几代“重力波望远镜”，检测时空橡胶状垫子中的涟漪的仪器可能有一天会感觉到大爆炸的雷声，从创作时的瞬间，当重力首次出现时，遗物。这种波可以为空间和时间的性质提供重要的线索。
“仅仅在(几十年)以前，我们是不会相信有可能说出大爆炸的前10分钟发生了什么，”Kucha指出。“但我们现在可以通过观察元素的丰度来做到这一点。也许，如果我们对普朗克尺度的物理学有足够的了解，我们将能够寻找某些今天可以观测到的结果——残留物。”如果能找到，这样的证据将使我们最接近我们的起源，并可能使我们最终认识到140亿年前空间和时间是如何从虚无中涌出的。
Marcia Bartusiak是Massachusetts理工学院科学写作研究生课程的作者，记者和教授。她写了关于天文学和物理学。
摘录从地球3：太阳系，银河系和超越的三十二（简短）故事马西娅·巴图西亚克，耶鲁大学出版社新出版。版权所有©2018 Marcia Bartusiak。
主要图片来源:viki2win / Shutterstock。
