引子

1900 年，20 世紀(jì)的第一場(chǎng)雪似乎來(lái)得比以往時(shí)候更晚一些，這不是一個(gè)平靜的年份。在中國(guó)，孫中山接任了興中會(huì)會(huì)長(zhǎng)，正式登上政治舞臺(tái)，他后來(lái)成為了中國(guó)第一個(gè)共和制總統(tǒng)；隨后，義和團(tuán)運(yùn)動(dòng)達(dá)到高潮，八國(guó)聯(lián)軍攻入北京，慈禧太后和光緒皇帝倉(cāng)皇逃出北京城；而沉睡了近千年的敦煌莫高窟也在這一年被首次打開，中華文明史被重新發(fā)現(xiàn)；在歐洲，尼采死了，弗洛伊德發(fā)表了他的傳世名著《夢(mèng)的解析》，巴黎正在舉辦世博會(huì)和第二屆夏季奧運(yùn)會(huì)。這一切，都帶著創(chuàng)世紀(jì)的味道。
4 月 27 日，此時(shí)的英國(guó)倫敦天氣還有點(diǎn)陰冷。在阿爾伯馬街上的英國(guó)皇家研究所門前，人來(lái)人往，一位紳士彬彬有禮地扶著貴婦人上了馬車，趕去聽普契尼的歌劇《波希米亞人》。馬車駛過(guò)后，兩位老太太望著馬車遠(yuǎn)去，羨慕地討論著剛才那個(gè)貴婦人的禮帽式樣。在兩個(gè)老太太的身邊，一個(gè)個(gè)穿著考究，表情嚴(yán)肅的紳士們走進(jìn)了皇家研究所的大門。老太太們不知道，這些紳士都大有來(lái)頭，全是當(dāng)時(shí)歐洲最有名望的科學(xué)家，他們風(fēng)塵仆仆地從歐洲各國(guó)趕來(lái)參加科學(xué)大會(huì)，這在科學(xué)界是一件大事。
皇家研究所的主席臺(tái)上，站著一位白發(fā)蒼蒼的老者，此人就是德高望重而又以頑固著稱，已經(jīng) 76 歲高齡的開爾文勛爵。他用他那特有的愛爾蘭口音開始了他的演講：
“在我眼里，我們已經(jīng)取得的關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力的理論是無(wú)比優(yōu)美而又簡(jiǎn)潔明晰的，這些理論斷言，光和熱都不過(guò)是運(yùn)動(dòng)的某種表現(xiàn)方式（熱是分子的運(yùn)動(dòng)，光是電磁波的運(yùn)動(dòng)）。但是我們卻看到，在經(jīng)典物理學(xué)這片藍(lán)天上有兩朵小烏云讓我們感到有些不安。自從菲涅爾先生和托馬斯·楊博士創(chuàng)立了光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)以來(lái)，我們一直都在苦苦尋覓一個(gè)問(wèn)題的答案，那就是：我們的地球是如何在以太中航行的？以太這種我們被稱為‘彈性固體’的看不見摸不著的物質(zhì)存在的證據(jù)又在哪里？這就是我要說(shuō)的第一朵烏云?！?br/>——選自《時(shí)間的形狀：相對(duì)論史話》（汪詰著）

毫無(wú)疑問(wèn)，開爾文嘴里的這第一朵烏云就是指的麥克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)，不但沒有能證明以太的存在，反而貌似恰恰證明了以太的不存在。

這第一朵烏云已經(jīng)在我們耳旁隱隱地傳來(lái)了雷聲，很快就要遮云蔽日、掀起狂風(fēng)大浪了。此時(shí)的物理學(xué)界，已是山雨欲來(lái)風(fēng)滿樓了。

開爾文著名的世紀(jì)演講的五年后，時(shí)間終于走到了 1905 年，或許人類文明史上再也不會(huì)出現(xiàn)這樣的奇跡年了。這一年之所以被稱為奇跡年，是因?yàn)橛幸粋€(gè)年僅 26 歲的瑞士專利局的小職員，他在這一年中連續(xù)發(fā)表了五篇論文，每篇論文都像一顆耀眼的超新星照亮了宇宙，改變了人類物理學(xué)的紀(jì)元。

如果我們回到 1905 年，打開這位小職員的簡(jiǎn)歷，你會(huì)絲毫看不出他是被最多人公認(rèn)的人類歷史上第一聰明的頭腦。

這份簡(jiǎn)歷是這么寫的：

姓名：阿爾伯特·愛因斯坦
性別：男
國(guó)籍：瑞士
年齡：26
婚姻：已婚
職業(yè)：專利局三級(jí)技術(shù)員
單位：瑞士伯爾尼專利局
學(xué)歷：蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué) 物理專業(yè) 本科畢業(yè)
愛好：拉小提琴和思想實(shí)驗(yàn)
成就：還沒有

這份簡(jiǎn)歷實(shí)在太平庸了。然而，看上去如此平庸的青年愛因斯坦，卻正在思考這個(gè)宇宙中最深邃的一個(gè)問(wèn)題：時(shí)間到底是什么？

如果我們?cè)谌祟愇拿魇分袠?biāo)記出幾個(gè)最基本的飛躍節(jié)點(diǎn)的話，那么，1905 年的某個(gè)時(shí)刻，一定可以被鐫刻在人類文明史的豐碑上，愛因斯坦幾乎以一己之力，把人類對(duì)時(shí)間的認(rèn)知帶上了一個(gè)新臺(tái)階。

現(xiàn)在，我想請(qǐng)你思考一下，假如有人問(wèn)你：時(shí)間到底是什么？你會(huì)怎么回答？

你在思考的同時(shí)，不妨聽我給你講一下不同時(shí)代的物理學(xué)家們對(duì)時(shí)間的不同理解，您可以自我評(píng)價(jià)一下，自己對(duì)時(shí)間的理解與哪個(gè)時(shí)代的人最接近。

1 古典時(shí)代

漢字時(shí)間的“時(shí)”字最早出現(xiàn)在金文，也就是青銅器的銘文中，而后在篆書、隸書中逐漸演變成我們今天的字形。在最早的漢字甲骨文中，我們目前并沒有發(fā)現(xiàn)時(shí)字，但有“日”字和“辰”字，古人用它們組合起來(lái)表達(dá)時(shí)間的概念。這個(gè)時(shí)期，往往只有具體某個(gè)“時(shí)刻”的概念，還沒有產(chǎn)生“時(shí)間”這樣一個(gè)抽象概念。

我國(guó)的《易經(jīng)》被稱為群經(jīng)之首，在《易經(jīng)》中出現(xiàn)了很多帶有“時(shí)”字的經(jīng)文，比如我們最熟悉的這句“地勢(shì)坤，君子以厚德載物，時(shí)乃與之，天道酬勤?！笨傮w來(lái)說(shuō)，在《易經(jīng)》中的“時(shí)”一般指的都是“時(shí)機(jī)”。后世學(xué)者給出的解釋一般是這樣：

什么是“時(shí)機(jī)”？

“時(shí)”就是宇宙的自然法則和變化，時(shí)就是“天時(shí)”，是天定的，人無(wú)法對(duì)“時(shí)”產(chǎn)生任何影響。而“機(jī)”則是指人應(yīng)該在合適的時(shí)候采取恰當(dāng)?shù)男袆?dòng)，把握住天時(shí)的變化。

我總結(jié)來(lái)說(shuō)，在中國(guó)的古典時(shí)期，人們普遍認(rèn)為時(shí)間是屬于完全脫離于人類活動(dòng)的宇宙變化，是上天制定的無(wú)上法則。

我斗膽揣摩一下，假如我有機(jī)會(huì)去問(wèn)孔孟老莊這些中國(guó)先賢：何謂“時(shí)”？我想，他們大概會(huì)這么回答我：時(shí)這個(gè)概念無(wú)需定義，它是那種無(wú)法明說(shuō)，但人人都能自然理解的概念。

講完中國(guó)，我們?nèi)タ纯创砦鞣轿拿髌鹪吹墓畔ＥD文明對(duì)時(shí)間的認(rèn)識(shí)。亞里士多德在《物理學(xué)》這本書中，對(duì)時(shí)間有一個(gè)定義，是這樣得：

時(shí)間是運(yùn)動(dòng)的數(shù)量，關(guān)于前后而言。

根據(jù)后世學(xué)者的解讀，亞里士多德認(rèn)為時(shí)間和運(yùn)動(dòng)密不可分，時(shí)間并不是獨(dú)立存在的實(shí)體，而是衡量運(yùn)動(dòng)和變化的一種方式。我們之所以會(huì)有時(shí)間這個(gè)概念，是因?yàn)槲覀兡芨惺艿竭\(yùn)動(dòng)和萬(wàn)物變化，假如我們無(wú)法感知運(yùn)動(dòng)和變化，那時(shí)間也就不存在了。

說(shuō)得更通俗一點(diǎn)就是，亞里士多德認(rèn)為，時(shí)間是人的一種主觀體驗(yàn)，它依賴于人的經(jīng)驗(yàn)而存在。古希臘哲學(xué)家的思想影響了整個(gè)西方文明史。

大家發(fā)現(xiàn)沒，古典時(shí)代的東西方對(duì)于什么是時(shí)間的理解其實(shí)大相徑庭。我們東方人認(rèn)為時(shí)間是完全不依賴于人的天道，而西方人認(rèn)為時(shí)間不過(guò)是我們?nèi)祟惖闹饔^體驗(yàn)，是人自己創(chuàng)造出來(lái)的概念。

在這里，我不去評(píng)價(jià)東西方文明對(duì)時(shí)間理解的優(yōu)劣，我只想請(qǐng)您思考，您更傾向于哪一種觀點(diǎn)。

比較遺憾的是，在清末現(xiàn)代物理學(xué)被逐步引入我國(guó)之前，中國(guó)人對(duì)時(shí)間的理解始終停留在《易經(jīng)》的層面上，并沒有任何發(fā)展。

但西方社會(huì)進(jìn)入到牛頓時(shí)代后，以牛頓為代表的物理學(xué)家們，對(duì)時(shí)間的定義逐漸清晰和明確起來(lái)。

2 牛頓時(shí)代

以伽利略和牛頓為代表的物理學(xué)家們建立起了經(jīng)典物理學(xué)的大廈，時(shí)間 t 已經(jīng)成為物理學(xué)公式中最常出現(xiàn)的幾個(gè)變量之一。我們要知道，一旦一個(gè)概念被數(shù)學(xué)化之后，那就必須是一個(gè)清晰而明確的概念，否則就沒法測(cè)量，沒法測(cè)量就不能數(shù)據(jù)化，沒法數(shù)據(jù)化就不可能參與運(yùn)算。

牛頓給出了時(shí)間的明確概念，他對(duì)時(shí)間的理解可以總結(jié)為下面這些基本要點(diǎn)：

1. 時(shí)間就像是宇宙的一個(gè)基本背景，獨(dú)立于空間和物質(zhì)而存在，為所有運(yùn)動(dòng)提供衡量快慢的參考。
2. 時(shí)間是一種連續(xù)不斷的流動(dòng)，不會(huì)因?yàn)槿魏螚l件而停止，這種流動(dòng)性具有絕對(duì)性和永恒性。
3. 時(shí)間是絕對(duì)均勻流逝的，并且可以無(wú)限細(xì)分。
4. 時(shí)間是描述運(yùn)動(dòng)變化的一個(gè)不可或缺的物理量。

我敢說(shuō)，這個(gè)世界上的絕大多數(shù)現(xiàn)代人，都會(huì)贊同牛頓對(duì)時(shí)間的以上四點(diǎn)理解，因?yàn)檫@四條完全符合我們的日常經(jīng)驗(yàn)。

假如聽到這里，你也同樣贊同牛頓的時(shí)間觀，這非常非常正常，正因?yàn)榕ｎD的時(shí)間觀有一種天經(jīng)地義的感覺，這才把愛因斯坦的不平凡給凸顯出來(lái)。我有時(shí)候閉上眼睛會(huì)遐想，到底是怎樣的一種勇氣和聰慧，才可以讓一顆人類的大腦沖破牛頓時(shí)間觀，這實(shí)在是太不可思議了。

3 愛因斯坦時(shí)代

每當(dāng)專利局的工作結(jié)束后，愛因斯坦總是不急于回家，而是坐在辦公室里，用自己用完的草稿紙卷起一根紙煙，點(diǎn)燃，深吸一口，往椅子上一靠，開始他的思考：

假如我和光跑得一樣快，我會(huì)看到一束相對(duì)于我而言靜止的光的嗎？

請(qǐng)你想象一下，假如你現(xiàn)在駕駛著宇宙飛船，以光速飛行在黑漆漆的宇宙中，當(dāng)你經(jīng)過(guò)一個(gè)太空燈塔的瞬間，燈塔點(diǎn)亮。這時(shí)候，你會(huì)看到什么，是一束和自己齊頭并進(jìn)的光嗎？

我們來(lái)看看愛因斯坦是怎么思考這個(gè)問(wèn)題的：

什么是光？光是一種電磁波，電磁波是怎么傳播的呢？
根據(jù)麥克斯韋那組漂亮的方程組可以看出來(lái)，振蕩的磁場(chǎng)必然產(chǎn)生振蕩的電場(chǎng)，而振蕩的電場(chǎng)又必然產(chǎn)生振蕩的磁場(chǎng)，如此循環(huán)下去就成了電磁波。那么，我是不是可以這樣認(rèn)為，電磁波的傳播速度正是第一個(gè)“振蕩”引起第二個(gè)“振蕩”的反應(yīng)速度呢？嗯，沒錯(cuò)，這就好像一隊(duì)人站成一排報(bào)數(shù)一樣，聽到一的人報(bào)二，聽到二的人報(bào)三……光速其實(shí)就是這個(gè)報(bào)數(shù)的傳遞速度，它和我們常見的小球或者火車的運(yùn)動(dòng)速度顯然有著很大的不同。火車從這里運(yùn)動(dòng)到那里，那就是火車這個(gè)實(shí)體的位置從這里移動(dòng)到了那里，但是電磁波，也就是光，它的傳播速度其實(shí)是“每一個(gè)報(bào)數(shù)的人，他們的反應(yīng)速度”，真空充當(dāng)?shù)木褪沁@個(gè)報(bào)數(shù)人的角色，而交替變換的電、磁場(chǎng)就是報(bào)出去的這個(gè)“數(shù)”。

圖源：電影《尋秘自然：時(shí)間的形狀》片段

• 在黑漆漆的宇宙中飛行，雖然我飛得跟光一樣快，但是因?yàn)闆]有任何參照物，我感覺不到自己的速度，就我自己的感覺而言和靜止是一樣的。這時(shí)候如果我身邊有一束光，或者一個(gè)電磁波，我將看到什么呢？一個(gè)靜止的電磁波嗎？也就是看到一個(gè)雖然在振蕩的電磁場(chǎng)，但是它卻不會(huì)交替感應(yīng)下去嗎？
• 哦，不，這顯然違背了麥克斯韋的方程組，雖然我在以光速飛行，不論是我自己用發(fā)生裝置發(fā)出一個(gè)電磁波還是我飛過(guò)一個(gè)電磁波發(fā)生裝置，我看到的電磁波都應(yīng)該是相同的，因?yàn)榻橘|(zhì)沒有變。我將看到一個(gè)振蕩中的電場(chǎng)能夠產(chǎn)生振蕩的磁場(chǎng)，而一個(gè)振蕩中的磁場(chǎng)又能夠產(chǎn)生振蕩的電場(chǎng)，這個(gè)交替反應(yīng)絕不會(huì)停下來(lái)。
  

圖源：電影《尋秘自然：時(shí)間的形狀》片段

• 再想象一下報(bào)數(shù)的情況，如果我和這隊(duì)報(bào)數(shù)的人都在一節(jié)火車車廂中，火車高速行駛，但是我并不能感覺到火車是靜止的還是運(yùn)動(dòng)著的，我會(huì)看到報(bào)數(shù)人的反應(yīng)速度提高了嗎？這也顯然很荒謬，火車跑得再快也應(yīng)該跟報(bào)數(shù)人的反應(yīng)速度無(wú)關(guān)，我應(yīng)該仍然看到它們以同樣的反應(yīng)速度傳遞著“一、二、三……”才對(duì)啊。
• 這么說(shuō)來(lái)，光速應(yīng)該相對(duì)于任何參照系來(lái)說(shuō)，都是恒定不變的。
  

想到這里，愛因斯坦手上紙煙的煙灰掉落在地上，瞬間碎成一片。愛因斯坦從沉思中回過(guò)神來(lái)，對(duì)剛才的思考感到滿意，他想這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)不止一天兩天了。他拿起筆在草稿紙上寫下一句話：對(duì)于任何參考系來(lái)說(shuō)，光在真空中的傳播速度恒定。

愛因斯坦的思考并沒有停下來(lái)，他接著想：

如果說(shuō)，光速真的相對(duì)于任何參照系來(lái)說(shuō)，都是恒定不變的。那么，假如未來(lái)某天，發(fā)生了這樣一起案件。
在一列亞光速疾馳的火車上，有兩個(gè)人站在車廂的兩頭進(jìn)行決斗。他們的決斗規(guī)則是這樣：在倆人的正中間有一盞信號(hào)燈，燈亮就是拔槍信號(hào)，生死由命，看誰(shuí)槍快。當(dāng)然，倆人的槍是一模一樣的。

圖源：電影《尋秘自然：時(shí)間的形狀》片段

現(xiàn)在，我想請(qǐng)你思考：這個(gè)決斗規(guī)則是公平的嗎？

你看，公不公平是不是取決于下面兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1. 站在車頭和車尾，手槍射出的子彈，相對(duì)于倆人的速度是否完全相同？
2. 他們倆人是不是同時(shí)看到燈亮？

對(duì)于第一點(diǎn)，有些人可能會(huì)認(rèn)為，站在車尾方向的人占便宜，因?yàn)槭謽屪訌検琼樦疖囘\(yùn)動(dòng)方向飛行，那么，子彈的飛行速度要加上車速。而站在車頭方向的人，則剛好相反，手槍子彈逆著火車運(yùn)動(dòng)方向飛行，那么子彈的飛行速度要減去車速。

如果你也這么想，那就是初中物理還給老師了。正確的思路是，運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的。如果以地面為參照物，那車頭方向和車尾方向射出的子彈，相對(duì)于地面的速度確實(shí)是不同的?？墒?，在這個(gè)案件中，我們要考慮的顯然是子彈相對(duì)于決斗雙方的速度。這時(shí)候，因?yàn)闆Q斗雙方也在隨著火車一起運(yùn)動(dòng)，因此，當(dāng)我們把火車的窗簾全部拉上，站在車?yán)锩婵磦z人決斗，那就跟站在靜止的車廂中看倆人決斗是沒有區(qū)別的，子彈相對(duì)于決斗雙方的運(yùn)動(dòng)速度并不會(huì)發(fā)生改變。

所以，是不是公平的第一條，也就是子彈的飛行速度，對(duì)雙方而言，當(dāng)然是公平的。

關(guān)鍵問(wèn)題是第二條，他們倆人是不是同時(shí)看到燈亮呢？

圖源：電影《尋秘自然：時(shí)間的形狀》片段

愛因斯坦經(jīng)過(guò)一番認(rèn)真的思考和推敲，他竟然發(fā)現(xiàn)了一件極其詭異的事情。

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，如果有人站在車廂中觀察，會(huì)認(rèn)為他們倆是同時(shí)看到燈亮，決斗規(guī)則是公平的。但如果有人站在車外觀察，則會(huì)認(rèn)為他們倆不是同時(shí)看到燈亮，決斗規(guī)則是不公平的。是不是同時(shí)，取決于所選取的參考系。

這就是愛因斯坦在 1905 年石破天驚的一次思考，他得出的這個(gè)思考結(jié)果徹底沖破了牛頓建立的經(jīng)典時(shí)間觀，也是人們對(duì)時(shí)間的最樸素感受。當(dāng)我們?cè)谌粘Ｉ钪姓f(shuō)某人和某人同時(shí)做某事的時(shí)候，那就是表示這倆人是絕對(duì)的同時(shí)，時(shí)間是脫離空間和物質(zhì)的永恒存在，同時(shí)就是同時(shí)，這個(gè)概念本身沒什么可爭(zhēng)議的。

現(xiàn)在，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，同時(shí)不是絕對(duì)的，同時(shí)是相對(duì)的，我們這個(gè)宇宙中，不存在絕對(duì)的同時(shí)。

當(dāng)然，愛因斯坦的思考并沒有就此停止，他接著又設(shè)想了一個(gè)詭異的情形。

假如，想象我在宇宙中開著一艘非常接近光速的飛船，當(dāng)我開啟飛船船頭大燈時(shí)，站在飛船上的我會(huì)看到這束光正以 30 萬(wàn)千米每秒的速度遠(yuǎn)離自己而去。但詭異的是，假如這時(shí)候有人在地面拿著望遠(yuǎn)鏡看我的飛船，他應(yīng)該會(huì)看到什么景象呢？也是飛船上的光以 30 萬(wàn)千米每秒的速度遠(yuǎn)離飛船呢？還是說(shuō)，他會(huì)看到飛船和飛船射出的光幾乎齊頭并進(jìn)，慢慢拉開距離呢？

請(qǐng)想一想，出現(xiàn)什么樣的情形才是合理的。因?yàn)楣馑傧鄬?duì)于地面上的觀察者而言，也是 30 萬(wàn)千米每秒的速度，而飛船相對(duì)于地面的飛行速度非常接近光速，因此，地面上的觀察者，應(yīng)當(dāng)會(huì)看到飛船和飛船射出的光慢慢拉開距離。

請(qǐng)大家跟上我的思路，想一想，這不是一件非常矛盾的事情嗎？站在飛船上的人，看到的是眼前的光嗖的一下就跑到宇宙深處了。但站在地面上的觀察者，看到的卻是飛船上的光和飛船慢慢拉開距離。

愛因斯坦想來(lái)想去，要解決這個(gè)矛盾，唯一的方案就是：飛船上的時(shí)間和地面上的時(shí)間流逝速度是不同的。用最通俗的一句話來(lái)說(shuō)，那就是，飛船一秒鐘可以等于地面一小時(shí)。只要我們打破時(shí)間絕對(duì)流逝、永恒不變的樸素觀念，就能自然而然地理解這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中的矛盾了。看似矛盾，其實(shí)并不矛盾。

這就是愛因斯坦為人類重新建立的相對(duì)論時(shí)空觀，在它剛誕生的時(shí)候，遭到了無(wú)數(shù)的質(zhì)疑和反對(duì)，但是，現(xiàn)在，它已經(jīng)是被寫入我們高中物理教科書中的常識(shí)，盡管這個(gè)常識(shí)一點(diǎn)兒也都不符合我們的日常感知。但它是對(duì)的，它已經(jīng)被科學(xué)家們千百次地驗(yàn)證過(guò)。

如果聽到這里，你發(fā)現(xiàn)自己的時(shí)間觀念原來(lái)停留在牛頓時(shí)代，那么恭喜你，從這一刻開始，你進(jìn)入到了愛因斯坦時(shí)代。

但愛因斯坦的時(shí)間觀就是最新最好的了嗎？當(dāng)然不是，當(dāng)人類進(jìn)入到探索微觀世界的量子物理學(xué)時(shí)代后，我們對(duì)什么是時(shí)間，又產(chǎn)生更多終極思考。

4 量子物理時(shí)代

當(dāng)人類文明的紀(jì)元進(jìn)入到二十世紀(jì)之后，在一大群天才物理學(xué)家的努力下，人類終于敲開了微觀世界的大門，無(wú)數(shù)新奇而又美麗的風(fēng)景展現(xiàn)在我們眼前。

二十世紀(jì)最初的五、六十年被稱為人類物理學(xué)的黃金時(shí)代，我們開始探索隱藏在物質(zhì)最深處的奧秘。概括來(lái)說(shuō)，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)和能量不是無(wú)限可分的，它們都有一個(gè)最小的基本單位。這個(gè)世界上的一切物質(zhì)，都是由不可再分的基本粒子構(gòu)成的。這些基本粒子的微小尺度令人感到不可思議，但在數(shù)學(xué)上，它們就是有一個(gè)最小尺度的。而我們?cè)诤暧^世界看到的一切，都是無(wú)數(shù)個(gè)基本粒子互相作用下的一種涌現(xiàn)。

這里，我要跟你講解一下物理學(xué)中的這個(gè)術(shù)語(yǔ)——涌現(xiàn)。這個(gè)詞現(xiàn)在越來(lái)越多地出現(xiàn)在各種物理學(xué)研究和最新的科普文章中，涌現(xiàn)是非常迷人的一種現(xiàn)象。

比如說(shuō)，你可能在生活中或者電視中見過(guò)魚群和鳥群。我們盯著魚群中的某一條具體的魚觀察時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，它的運(yùn)動(dòng)非常雜亂無(wú)章，似乎是完全隨機(jī)的。但是，當(dāng)我們把視角擴(kuò)大到整個(gè)魚群時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)魚群的整體運(yùn)動(dòng)是另一番景象，整個(gè)魚群就像是一個(gè)單一的有生命的個(gè)體，它們會(huì)躲避障礙，做規(guī)律的幾何運(yùn)動(dòng)等等。這就是一種涌現(xiàn)，也就是說(shuō)，單個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)模式和整體的運(yùn)動(dòng)模式非常不同。

剛才舉的這個(gè)例子是一個(gè)宏觀上的例子，你可能比較容易理解。我再來(lái)舉一個(gè)不是那么好理解的例子。我們知道，水是由無(wú)數(shù)個(gè)水分子組成的。當(dāng)水流的流速達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，水流會(huì)突然從有規(guī)律的層流轉(zhuǎn)變成看似毫無(wú)規(guī)律的湍流。我們?cè)谛∠校瑫?huì)經(jīng)?？吹剿鹘?jīng)過(guò)某一塊石頭后，就轉(zhuǎn)變成白花花的一片。在這片白花花的水浪中，大漩渦套著小漩渦，水流的運(yùn)動(dòng)變得復(fù)雜多變。這也是一種涌現(xiàn)。

再比如，一杯水從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)或者氣態(tài)，也是在某個(gè)臨界點(diǎn)之后突然轉(zhuǎn)變的，這也是一種涌現(xiàn)。更有意思的是，人類的意識(shí)也是一種涌現(xiàn)。我們的大腦皮層中有幾百億個(gè)神經(jīng)元，如果我們單獨(dú)觀察其中的每個(gè)神經(jīng)元，我們不可能觀察到意識(shí)，但這幾百億個(gè)神經(jīng)元聚集在一起，相互作用時(shí)，人就產(chǎn)生了智慧和意識(shí)，這也是一種涌現(xiàn)。

總之，涌現(xiàn)在這個(gè)宇宙中無(wú)處不在，當(dāng)物理學(xué)家們仔細(xì)去觀察宇宙中的各種現(xiàn)象時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，所有的宏觀現(xiàn)象，似乎都是基本粒子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的一種涌現(xiàn)。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，涌現(xiàn)的核心特征是：復(fù)雜系統(tǒng)中的整體行為和性質(zhì)無(wú)法僅僅通過(guò)分析單個(gè)組成部分來(lái)預(yù)測(cè)。通過(guò)局部部分的相互作用，宏觀系統(tǒng)產(chǎn)生了新的特性。這些特性只有在系統(tǒng)整體的尺度上才能觀察到，且往往具有非線性、不可預(yù)測(cè)的性質(zhì)。

現(xiàn)代的物理學(xué)家正在追問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：時(shí)間會(huì)不會(huì)也是一種涌現(xiàn)呢？

愛因斯坦認(rèn)為，時(shí)間是一個(gè)維度，它和空間維度一起，構(gòu)成了我們生活的四維時(shí)空。換句話說(shuō)，在相對(duì)論的理論框架中，時(shí)間被認(rèn)為是宇宙結(jié)構(gòu)的一部分，是最基本的結(jié)構(gòu)，時(shí)間就是時(shí)間，你沒有辦法繼續(xù)追問(wèn)：時(shí)間是由什么組成的？

我打個(gè)比方，在十九世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)萬(wàn)物皆原子，任何物質(zhì)都是由不同性質(zhì)的原子構(gòu)成的，而世界上的原子種類并不多，也就 100 多種。但是，進(jìn)入到二十世紀(jì)后，物理學(xué)家們就開始問(wèn)：原子是由什么組成的？現(xiàn)在我們知道，原子可以拆分為原子核和電子，原子核又可以拆分為質(zhì)子和中子，質(zhì)子還可以繼續(xù)由六種不同的夸克組成。你看，隨著人類科學(xué)的進(jìn)步，對(duì)物質(zhì)世界的不斷探索，我們逐步發(fā)現(xiàn)原子不是基本結(jié)構(gòu)，原子核也不是，質(zhì)子也不是。

同樣的道理，現(xiàn)在，理論物理學(xué)家們又開始追問(wèn)：時(shí)間就是基本結(jié)構(gòu)了嗎？時(shí)間會(huì)不會(huì)是一些更基本的結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)呢？例如，在量子引力理論和弦理論的框架下，時(shí)空的結(jié)構(gòu)可能在極小的尺度上并不是連續(xù)的，而是離散的。在這些理論中，時(shí)間不再被認(rèn)為是一個(gè)基本的、獨(dú)立的維度，而是從更基本的結(jié)構(gòu)中涌現(xiàn)出來(lái)的。時(shí)間可能在極微觀的尺度上并不存在，而是由一些更加基本的物理過(guò)程，很可能是像量子糾纏這樣的相互作用所涌現(xiàn)出來(lái)的。

以上這些，就是我們還在探索中的前沿課題。當(dāng)然，科學(xué)家們現(xiàn)在還無(wú)法給我們一個(gè)確定的答案，或許，這個(gè)謎題的答案將被正在收聽我這期節(jié)目的某個(gè)孩子在十年、二十后所回答。如果我今天這篇文章可以為某個(gè)好奇的孩子種下“時(shí)間是什么的”種子，那將是我離開人世時(shí)最好的告慰。

最后，向大家推薦我即將上映的科普電影《尋秘自然：時(shí)間的形狀》，用我能想到的最直觀、最具有表現(xiàn)力、最具有沉浸感的方式來(lái)為你介紹相對(duì)論這個(gè)偉大的科學(xué)理論，讓你在影院里，享受物理學(xué)！

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