时间向前流逝，是因为信息的不可逆累积？|不可逆累积|信息|向前|宇宙学|引力|相对论|粒子

时间难题

一直以来，物理学家都在努力阐明一个问题：时间究竟是什么？这种疑惑并非哲学上的吹毛求疵；相反，这个问题正处在科学中一些最深刻、最棘手问题的核心位置。

现代物理学依赖于不同但又同等重要的理论框架：其中之一是爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论，它描述了像行星这样的宏观天体的引力作用及其运动规律；另一个是支配了原子与粒子的微观世界的量子力学；在更宏观的尺度上，宇宙学标准模型描述了整个宇宙的诞生与演化。它们都离不开时间，却又以彼此不相容的方式对待时间。

当物理学家试图把这些理论统一进同一个框架时，时间常常以出人意料、甚至会造成麻烦的方式呈现：有时它会被拉伸；有时它会变慢；有时它甚至会彻底消失。

相对论是对我们日常时间直觉的第一次重大打击。它表明时间并非普适一致：时间流逝的快慢取决于引力与运动状态。两个彼此相对运动的观察者，会对哪些事件是同时发生的产生分歧。于是，时间变成了一种“有弹性”的东西，与空间共同交织成了四维“时空”。

量子力学让情况更加离奇。在量子理论中，时间并不是理论需解释的对象，而是被直接预设的。量子力学方程描述系统如何“相对于时间”演化，但时间本身仍是一个外在参数——一个置于理论之外、作为背景存在的“时钟”。

当物理学家试图在量子层面描述引力时，这种不匹配就会变得尤为尖锐。而“在量子层面描述引力”这一步对发展物理学家梦寐以求的“万物理论”至关重要——这种理论旨在把主要的基本理论统一起来。但在许多构建万有理论的尝试中，时间作为一个参数竟会从基本方程中完全消失：宇宙看起来像被“冻结”了一样，只能用不涉及“变化”的方程来描述。

这一难题被称为“时间问题”，至今仍是通向统一理论最顽固的障碍之一。尽管宇宙学与粒子物理学已取得巨大进展，但我们仍无法清晰地解释时间为何会流动。

如今，一种相对较新的物理学路径开始给出令人惊讶的答案。它建立在一种被称为信息论的数学框架之上，该框架是由香农（Claude Shannon）在20世纪40年代发展起来的。

熵与时间之矢

当物理学家试图解释时间为什么有方向时，常常会借助一个概念——熵。热力学第二定律指出，无序倾向于增加。例如，一个玻璃杯可以落地摔成碎片、变得一团糟，但这些碎片不会自发地跃回原位、重新拼合。过去与未来之间这种不对称，常常被视为“时间之矢”。

这一思想影响极其深远。它解释了许多过程为何不可逆，包括为何我们记得过去，却不记得未来。如果宇宙以低熵状态开端，并在演化中变得越来越凌乱，这似乎就能解释时间为何向前流动。但熵并不能彻底解决时间问题。

首先，在最基础的层面，量子力学的方程并不能区分过去与未来。只有在我们考虑大量粒子及其统计行为时，时间之矢才会显现出来。这又引出了更深的一个问题：为什么宇宙起初会处在如此低熵的状态？从统计学上说，一个宇宙拥有高熵状态的方式比低熵多得多——就像让一个房间变乱的方法远多于让它保持整洁的方法。既然低熵在统计上如此“不太可能”，宇宙为什么偏偏从这样一个罕见状态开始呢？

信息革命

过去几十年里，物理学界悄然发生了一场深远的革命。信息曾被当作一种抽象的记账工具，用来追踪状态或概率；如今它越来越多地被视为一种本身就具有物理性的量，就像物质或辐射那样。熵衡量的是存在多少种可能的微观态；而信息衡量的是物理相互作用如何限制并记录这些可能性。

这种转变并非一蹴而就，而是在热力学、量子力学与引力的交汇处，围绕一系列难题而逐步浮现的：当我们把信息仅仅当作数学对象来处理时，矛盾便开始出现了。

最早的裂缝之一出现在黑洞物理学中。当霍金（Stephen Hawking）表明黑洞会辐射出热辐射时，一个令人不安的可能性随之出现：落入黑洞的一切信息，都可能以“热”的形式永久丢失。这个结论与量子力学相冲突，因为量子力学要求信息必须完整保存。

为了解决这一矛盾，物理学家不得不面对一个更深层的事实：信息不是可有可无的“附加项”。如果我们要给出一个包含量子力学在内的、对宇宙的完整描述，信息就不能“说没就没”，否则就会动摇物理学的根基。这一认知带来了深远的后果：人们逐渐清楚，信息具有热力学代价——抹除信息会耗散能量，而存储信息则需要物理资源。

与此同时，引力与热力学之间也浮现出令人惊讶的联系。研究表明，爱因斯坦的方程可以从热力学原理中推导出来，而这些原理把时空几何与熵和信息直接联系在一起。在这种视角下，引力的行为并不完全像一种基本力。

相反，引力看起来更像物理学家所说的“涌现”现象——一种从更基本的基本成分中涌现出来、整体效应大于部分之和的现象。以温度为例：我们都能感受到温度，但在最基本的层面上，单个粒子并没有温度。温度并不是一种基本属性；它只会在大量分子共同运动时，作为一种整体性质涌现出来。

同样，引力也可以被描述为一种从统计过程涌现的现象。一些物理学家甚至提出，引力本身可能从信息中涌现出来——它反映了信息是如何分布、编码与处理的。

这些观点促使我们进行一次激进的视角转变：与其把时空视为第一性的、把信息当作“存在于时空内部”的东西，信息或许才是更基本的成分，时空本身反而可能由信息涌现而来。基于这一路线，莱顿大学的物理学家Florian Neukart探索了一个框架：时空本身充当信息的存储介质——而这会对我们如何理解时间产生重要影响。

在这种方法中，时空并非如相对论所暗示的那样完全光滑，而是由离散的单元组成；每个单元记录穿行其中的粒子与场所携带的量子信息的能力都是有限的。这些单元并不是在计算机里的数字比特，而是承载量子信息的物理载体，能够保留过去相互作用的“记忆”。

理解它们的一个有用方式，是把时空想象成一种由微小、携带记忆的“单元格”构成的材料。正如晶体的晶格会“保存”过去形成的缺陷，这些微观时空单元也能保留穿过它们的相互作用痕迹。它们并不是粒子物理学标准模型所描述的通常意义上的粒子，而是一层更为根本的物理结构；粒子物理学是在这层结构之上运作，而不是用来解释这层结构的。

这带来一个重要推论：如果时空会记录信息，那么它此刻的状态不仅反映当下存在什么，也反映此前发生过的一切。经历过更多相互作用的区域，会携带与经历较少相互作用的区域不同的信息印记。在这种观点下，宇宙并不只是把永恒不变的定律施加于不断变化的状态之上、从而演化。它会记住。

一个会记录的宇宙

这种“记忆”并非隐喻。每一次物理相互作用都会留下信息痕迹。尽管量子力学的基本方程可以在时间上向前或向后运行，但真实的相互作用却从不会孤立发生：它们不可避免地涉及到周围环境，把信息向外泄露，并留下关于发生过什么的持久记录。一旦这些信息扩散到更广阔的环境中，要把它恢复，就不仅需要“撤销”某个单一事件，还必须撤销它沿途造成的每一次物理改变。在实践中，这是不可能做到的。

这就是信息无法被抹除、破碎的杯子也不会重新拼合的原因。但其中更为深远的含义是：无论是在原子碰撞还是星系形成的尺度上，每一次相互作用都会在宇宙结构中写下某些永久的东西。

在这一视角中，几何与信息被发现是深度相连的。Neukart在研究中表明：时空如何弯曲不仅取决于质量与能量——正如爱因斯坦所揭示的那样——也取决于量子信息（尤其是纠缠）的分布方式。纠缠是一种量子过程，它以神秘的方式把空间中相距遥远区域的粒子联系在一起，使它们即便相隔甚远也能共享信息。而这些信息性的联结，会对物质与辐射所经历的“有效几何”作出贡献。

从这一角度看，时空几何不仅是对某一时刻“存在什么”的回应，也会回应“曾经发生过什么”。那些记录了大量相互作用的区域，平均而言更倾向于呈现出更强的时空弯曲（也就是更强的引力效应）；而记录较少相互作用的区域则相对较弱。

这种重塑会微妙地改变时空的角色。时空不再只是事件展开的中立舞台，而是一个积极的参与者：它存储信息，约束未来的动力学过程，并塑造新的相互作用如何发生。于是，一个更深的问题自然浮现：如果时空会记录信息，那么时间是否可能并非一开始就被当作前提“假设进去”，而是从这种记录过程本身涌现出来？

从信息中涌现的时间

最近，Neukart把这一信息视角进一步扩展到时间本身。他不再把时间视为一个基本的背景参数，而是表明：时间的先后顺序是从不可逆的信息印刻中涌现出来的。在这种观点中，时间不是被人为地加进物理学的东西。它之所以出现，是因为信息会在物理过程中被写入，并且在已知的热力学与量子物理定律之下，不可能在全局范围内再被彻底“反写”回去。这个想法很简洁，却意义深远。

每一次相互作用——例如两个粒子的碰撞——都会把信息写入宇宙。这些印记会不断累积。由于它们无法被抹除，所以它们便定义了事件的自然排序：较早的状态拥有更少的信息记录，较晚的状态则拥有更多。

量子方程并不偏好时间的任何一个方向，但信息扩散的过程却有。一旦信息扩散开来，就没有一条物理路径能回到信息仍然局域、尚未扩散的状态。因此，时间顺序根植于这种不可逆性之中，而非方程本身之中。

在这一视角下，时间并非独立于物理过程而存在；它是已经发生事件的累积记录。每一次相互作用都会增加一条新的记录，而时间之矢反映的正是这份记录只会增长这一事实。

未来之所以不同于过去，是因为宇宙中关于过去的信息，总会多于它所能拥有的关于未来的信息。这就解释了为什么时间具有方向，而无需依赖特殊的、低熵的初始条件或纯粹的统计论证。只要相互作用不断发生、信息被不可逆地记录下来，时间就会向前推进。

有意思的是，这种累积的信息印记或许会带来可观测的后果。在星系尺度上，残留的信息印记会表现得像一个额外的引力分量，在不引入新粒子的情况下塑造星系的旋转。事实上，所谓“暗物质”这一未知物质之所以被提出，正是为了解释：星系及星系团的旋转速度比仅靠可见物质的质量所能允许的更快。

在信息图景中，这种额外引力并非来自不可见的暗物质，而是来自这样一个事实：时空本身记录了漫长的相互作用历史。累积了更多信息印记的区域，对运动与曲率的响应更强，从而有效增强其引力。恒星绕行更快，并不是因为有更多质量存在，而是因为它们穿行的时空携带着更“沉重”的、关于过去相互作用的信息记忆。

从这一观点出发，暗物质、暗能量以及时间之矢，或许都源自同一个更深层过程：信息的不可逆累积。

测试时间

但我们真的能检验这一理论吗？对时间的探讨常被评价为“哲学而非科学”。由于时间与我们描述变化的方式紧紧交织在一起，所以我们很容易以为任何重新思考时间的尝试都只能停留在抽象层面。然而，信息论路径能给出具体预测，并直接关联到我们可以观察、建模、并在某些情况下进行实验探测的系统。

黑洞提供了一个天然试验场，因为它们似乎暗示信息被抹除了。在信息框架下，这一冲突可通过这样的认识来化解：信息并未被摧毁，而是在越过视界之前就已被印刻进时空之中——黑洞把它记录了下来。

这对时间有重要含义。当物质向黑洞坠落时，相互作用会增强，信息的印刻也会加速。由于信息仍在持续被写入，时间在局部仍会继续向前推进——即便在视界附近，经典意义上的空间与时间概念开始失效，并且对远处的观察者而言，那里的过程似乎会变慢，甚至像是冻结。

当黑洞通过霍金辐射蒸发时，累积的信息记录并不会消失；相反，它会影响辐射的发射方式。辐射应当携带一些微妙迹象，反映黑洞的历史。换句话说，向外的辐射并非完全随机；它的结构会被先前记录在时空中的信息所塑形。探测这些迹象仍超出现有技术，但它们为未来的理论与观测工作提供了一个明确目标。

同样的原理也可以在更小、更可控的系统中探索。在量子计算机的实验室实验中，量子比特可以被视为有限容量的信息单元，就像时空单元格一样。已经有物理学家展示：即便基础的量子方程是可逆的，信息被写入、扩散与检索的方式也能在实验室里生成一种“有效的时间之矢”。这些实验让物理学家能够在不依赖宇宙学或天体物理系统的情况下，测试信息存储限制如何影响可逆性。

对同一框架的扩展还表明：信息印刻并不局限于引力，它可能在自然界所有基本力中发挥作用，包括电磁力与核力。如果果真如此，那么时间之矢最终应当可以追溯到所有相互作用记录信息的方式，而不仅仅是引力相互作用。要检验这一点，就需要在不同物理过程中寻找可逆性或信息恢复的极限。

综合来看，这些例子表明，“信息时间”并不是一种抽象的重新诠释：它用同一种物理机制把黑洞、量子实验与基本相互作用联结起来；随着实验范围不断扩大，这种机制可以被探索、被约束，并且在原则上可能被证伪。

时间到底是什么

关于信息的这些想法并不会取代相对论或量子力学。在日常情况下，信息时间与时钟测得的时间高度一致。对绝大多数实际用途而言，我们熟悉的时间图景运作得极好。差异会出现在传统描述本就捉襟见肘的那些情形中。

在黑洞视界附近，或在宇宙最初的时刻，把时间视为光滑的外在坐标的常规观念会变得含糊不清；相反，只要相互作用仍在发生、信息仍被不可逆地记录，信息时间就依然有良好定义。

这一切或许会让你开始追问：时间究竟是什么。这样的转变也重新界定了那场由来已久的争论：问题不再是时间是否必须被预设为宇宙的基本成分，而是它是否其实反映了一个更深层的潜在过程。

在这种视角下，时间之矢可以从那些记录信息且无法被“撤销”的物理相互作用中自然涌现。于是，时间不再是一个超然于物理学之外的神秘背景参数；它是宇宙通过自身动力学在内部持续生成的东西。时间最终或许并非现实的基本组成，而是由更基本的成分——例如信息——所涌现。

这一框架究竟会成为最终答案，还是通往更深理论的一块垫脚石，仍有待观察。与基础物理学中的许多思想一样，它的成败取决于它能在多大程度上把理论与观测连接起来。但它已经指向了一种令人瞩目的视角转变：宇宙并不只是存在于时间之中；时间是宇宙不断写入自身的东西。

#创作团队：

原文：Florian NeuKart

#参考来源：

https://theconversation.com/is-time-a-fundamental-part-of-reality-a-quiet-revolution-in-physics-suggests-not-273841