一個多世紀以來，物理學家不斷追問同一個問題：時間究竟是宇宙最基本的組成部分，還是某種更深層規(guī)律產(chǎn)生的結(jié)果？

但據(jù)《新科學家》（New Scientist）報道，一項發(fā)表于《物理評論研究》（Physical Review Research）的研究顯示：

一個由2萬個超冷原子構成的“玩具宇宙”給出了耐人尋味的答案：

如果什么都不發(fā)生，時間或許根本不存在；

而當量子相互作用開始出現(xiàn)，時間才隨之誕生。

本文2500多字，目錄如下：

1. “玩具宇宙”引出的時間思考

2. 一個最初沒有時間的“宇宙”

3. 熵的增長，創(chuàng)造了時間

4. 時間或并非基本存在

5. 超冷原子宇宙帶來新進展

6. 量子引力謎題的一塊拼圖

7. 無法證明，但或帶來啟發(fā)

8. 這不是最終答案

9. 把“黑洞”放進微型宇宙

發(fā)表于《物理評論研究》（Physical Review Research）的研究截圖

一項由超冷原子構成的“玩具宇宙”實驗顯示，時間的流逝或許并不是宇宙天然存在的背景，而是從不同部分之間的量子相互作用中涌現(xiàn)出來的。這項研究或許能為理解真實宇宙中的時間本質(zhì)提供新的線索。

1.

“玩具宇宙”引出的時間思考

英國伯明翰大學物理學家喬瓦尼·巴龍蒂尼（Giovanni Barontini）開始認真思考時間問題，源于一次陪伴兒子玩耍的經(jīng)歷。

當時，他6歲的兒子正在搭建屬于自己的小世界。

“他正在創(chuàng)造一個屬于自己的小宇宙，而我突然意識到，這其實和我們在實驗室里做的事情非常相似?！卑妄埖倌嵴f，“我們也會構建由超冷原子組成的系統(tǒng)。”

但很快，他又產(chǎn)生了另一個想法。

“這樣的宇宙其實有點無聊，因為里面幾乎沒有任何事情發(fā)生。如果什么都沒有發(fā)生，那就好像時間根本沒有流逝一樣?！?/p>

這個看似簡單的問題，觸及了現(xiàn)代物理學中最深刻的謎題之一：時間究竟是真實存在的，還是只是某種更深層物理過程產(chǎn)生的表象？

2.

一個最初沒有時間的“宇宙”

為了研究這個問題，巴龍蒂尼和同事利用激光和電磁場，將約2萬個銣原子冷卻到接近絕對零度的溫度。

隨后，他們將這些原子組成的“玩具宇宙”劃分成兩個區(qū)域：

• “明亮區(qū)”

• “黑暗區(qū)”

這一設計借鑒了宇宙學中可見物質(zhì)與暗物質(zhì)的概念。

在實驗開始時，這個微型宇宙本質(zhì)上是靜止且不變的。

沒有明顯的演化過程。

沒有事件發(fā)生。

從某種意義上說，也就沒有時間。

隨后，研究人員利用激光操控兩個區(qū)域之間的原子交換，使它們開始發(fā)生量子層面的相互作用。

而這一步驟改變了一項關鍵物理量——熵。

3.

熵的增長，創(chuàng)造了時間

熵通常被理解為系統(tǒng)的無序程度。

在現(xiàn)實宇宙中，一個廣泛接受的觀點是：

時間總是沿著熵增加的方向前進。

例如：

• 冰塊會融化，但融化后的水不會自發(fā)恢復成冰塊；

• 雞蛋會打碎，但碎蛋殼不會自動重新組合成完整雞蛋。

這種不可逆過程構成了我們對“時間流逝”的直觀感受。

當玩具宇宙中的兩個區(qū)域開始交換原子后，系統(tǒng)的熵發(fā)生變化。

于是，研究人員得以為這個原本靜止的宇宙定義一種“內(nèi)部時間”。

更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)這種內(nèi)部時間不僅僅是一個抽象概念。

研究團隊將其代入描述量子系統(tǒng)演化的薛定諤方程中，并計算原子的量子態(tài)演化。

最終得到的理論結(jié)果與實驗觀測結(jié)果吻合。

換句話說，在這個微型宇宙中，由量子相互作用產(chǎn)生的時間概念，足以解釋系統(tǒng)的實際演化過程。

4.

時間或并非基本存在

事實上，將時間視為某種涌現(xiàn)現(xiàn)象，而非宇宙的基本組成部分，并不是一個全新的想法。

早在20世紀30年代，英國物理學家內(nèi)維爾·莫特（Nevill Mott）就在原子物理學領域提出過類似觀點。

按照這一思路：

時間并非預先存在，而是來自量子關聯(lián)或量子相互作用。

此后幾十年間，這一思想主要停留在理論研究層面。

直到2013年，意大利國家計量研究院研究人員馬爾科·熱諾維塞（Marco Genovese）及其同事首次利用糾纏光子實驗，展示了這一思想在實驗上具有可行性。

在那項實驗中，人們同樣發(fā)現(xiàn)，對時間的感知能夠從量子關聯(lián)中產(chǎn)生。

5.

超冷原子宇宙帶來新進展

熱諾維塞認為，新研究在此前工作的基礎上邁出了重要一步。

他說：

“這項工作進一步拓展了這一思想，并取得了一些重要進展?！?/p>

與利用光子構建的系統(tǒng)相比，巴龍蒂尼創(chuàng)造的超冷原子宇宙更加復雜。

更關鍵的是，研究團隊首次成功將系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的時間直接用于薛定諤方程的計算。

此前的實驗尚未做到這一點。

6.

量子引力謎題的一塊拼圖

德國科隆大學物理學家克勞斯·基弗（Claus Kiefer）認為，這項實驗與現(xiàn)代物理學最大的未解問題之一密切相關。

這個問題就是：

如何將引力理論與量子理論統(tǒng)一到同一個框架之中。

目前，人類仍然沒有找到能夠同時適用于所有尺度的完整理論。

一些物理學家曾提出，在這樣的終極理論中，時間或許根本不存在于最基礎層面。

基弗認為，這項新實驗在一定程度上模擬了這種情景。

不過，他也指出，兩者之間仍存在明顯差異。

例如，在實驗中，超冷原子雖然會在兩個區(qū)域之間移動，但它們并沒有發(fā)生真實宇宙中預期的那些復雜相互作用。

因此，這種玩具宇宙只能算是一種近似模擬，而非真實宇宙的完整縮影。

7.

無法證明，但或帶來啟發(fā)

法國艾克斯-馬賽大學理論物理學家卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）則持更謹慎的態(tài)度。

他認為，這類實驗本身并不能真正發(fā)現(xiàn)關于時間的新事實。

原因在于，它們是建立在研究人員已經(jīng)理解的物理規(guī)律之上的。

因此，實驗結(jié)果在某種程度上已經(jīng)被實驗設計所預設。

不過，羅韋利同時強調(diào)，這并不意味著這些研究沒有價值。

在他看來，這些實驗能夠作為大型開放問題的模擬平臺，為研究那些尚未被理解的物理現(xiàn)象提供靈感。

其中最典型的例子，就是長期困擾理論物理學界的量子引力問題。

8.

這不是最終答案

對于巴龍蒂尼而言，這項研究更像是對長期存在的一類理論思想的實驗驗證。

它表明，這些觀點并沒有被排除出科學討論的范圍。

但他也強調(diào)：

這并不意味著研究已經(jīng)證明時間在所有尺度上都以這種方式運作。

換言之，這項實驗并沒有證明現(xiàn)實宇宙中的時間就是一種量子幻覺。

它只是表明，在一個受控的量子系統(tǒng)中，這種可能性確實能夠成立。

9.

把“黑洞”放進微型宇宙

巴龍蒂尼預計，研究真實宇宙的宇宙學家很可能會對這項工作提出各種質(zhì)疑。

畢竟，實驗室中的玩具模型與真實宇宙之間仍存在巨大差距。

但他并不打算停下來。

接下來，他希望繼續(xù)擴展這個超冷原子構成的“微型宇宙”。

其中一個設想是利用激光制造特殊區(qū)域，使原子無法逃離。

這種結(jié)構將模擬黑洞強大的引力束縛效應。

如果成功實現(xiàn)，這個微型宇宙或許能夠進一步幫助研究人員探索時間、引力以及量子世界之間更加深層的聯(lián)系。

參考文獻：

"Toy universe shows that time could be a quantum illusion" by Karmela Padavic-Callaghan, New Scientist, Published 11 June 2026 

本文頭圖來源：量子號

你可能還想知道：