时间与平均周期的关系（时间是概念是维度）

今天我们讨论一个和我们生活息息相关的科学概念，不仅在生活中，在科学领域里这个概念也深深的烙在我们对几乎所有事物的理解之中——它就是时间。我们就从一下几个问题开始，去揭开时间的奥秘：

1. 时间是什么？真实还是概念？
2. 时间到底是什么？是一种维度？
3. 为什么时间会向前，它会停止和逆转吗？它和熵有怎样的关系？和我们的宇宙发展有着怎样的关系？

带着这些疑惑，让我们一起畅游时间之河吧！



宇宙中的时间

生活中我们经常谈论时间，但我们很少思考时间是什么。我们谈论过去的好时光、坏时光、年少时那些无忧无虑的时光。我们常常说节省时间，抽点时间，缩短时间，消磨时间等等。时间不等人，庆幸的是，时间对每个人都是公平的，不论你贫穷或者富有，但大多数时候，我们总是抱怨时间不够用。

现在是什么时间?你看了一下手表，14点？16点？·····等等。它是像空间和物质这样的物质实体，还是我们通过经验创造出来的抽象概念?这是一个5岁孩子都能问的最简单的令人困惑的问题，也是最伟大的物理学家的发问。

追求时间的定义这要追溯到古希腊时期。自古以来，人们就对时间进行了大量的头脑风暴。早期人类通过观察太阳在天空中的位置来计算时间。

古代哲学家，柏拉图在《蒂迈欧篇》，中认为：

“时间作为天体运动的周期”

后来，他的学生亚里士多德在他的物理学第四卷中定义:

"时间是相对于前后变化的次数"

所以我们看到，时间过去是，现在仍然是一个让人头疼的问题。后来随着科学技术的发展，我们越来越了解时间的不同方面的影响。但是我们仍然找不知道这个简单问题的复杂性“什么是时间？”,当有人问爱因斯坦时，他只是简单地说:

“时间是时钟测量的东西”

这就是所谓的操作定义。但它更应该被称为一种逃避。

爱因斯坦的时钟

那么为什么我们不能解释时间呢?在科学界这并不是唯一的情况，还有很多其他基本的问题摆在我们面前，我们也一样没有更清楚的解释。就像生物学家几十年来一直在争论生命的定义，宇宙学家也一直在争论宇宙的范围和起源一样。

给时间下定义很难，可能是因为它在我们的经历和思维方式中已经根深蒂固。时间将我们现在拥有的“现在”和我们以前拥有的“现在”联系起来。但时间也关乎未来，以及我们如何将它与过去和现在的经历联系起来。

这就是物理学对时间的看法。事实上，时间是嵌入在物理的定义中，也许这就是为什么我们在定义时间时遇到困难的原因。百科是这样定义物理学的:

"物理学是一门自然科学，它涉及对物质及其在空间和时间中的运动和行为的研究。"

所以在物理学的定义中，时间是一个元素。甚至“运动”这个词也有时间的概念。实际上，物理学的基本工作是利用过去来理解未来。没有时间，物理学就没有意义。

那么时间到底是什么？这是一个维度吗？



时间维度的快照

时间是一个因素，因为它，我们现在的时刻消失在过去，我们走向未来。如果我们把我们的每一个瞬间都看作一张快照，我们会发现每一个瞬间都是静止的，就像照片一样。如果没有时间这样的概念，那么宇宙就会是那些无法改变或运动的冰冻快照之一。

但幸运的是，我们的宇宙要有趣得多;它有运动和变化，每时每刻都有许多奇怪的事情发生。所以这些快照并不独立存在于我们的宇宙中。时间以两种重要的方式把它们联系起来：

1. 时间将快照以链的形式连接在一起，按特定的顺序排列。这类似于将不同的静止图像连接在一起并通过动画创建电影。

• 时间以这样一种方式安排这些快照，即下一个快照依赖于前一个快照。这意味着宇宙中的每一刻都取决于它之前发生了什么。这是因果关系。例如，你不能一会儿坐在沙发上看电视，一会儿又跑完马拉松。

大爆炸式爆胀:因果关系?

这就是物理定律的工作原理，在观察了目前的状态之后，它们告诉我们接下来会发生什么，所以物理学家在努利寻找宇宙最初的时刻，用以推测大爆炸发生了什么？

物理学也认为时间是第四维度。

由于时间与宇宙的另一个基本部分：空间，有着惊人的相似之处，两者都有可能是更大统一体的一部分。将我们穿越时间的旅程分割成静态快照的逻辑也可以应用于空间(比如将一个固体切片得到一个平面，将一个平面切片得到一条直线，将一条直线切片得到一个点)。这使我们考虑到时间和空间密切相关的可能性。事实上，现代物理学认为将它们以时空的形式结合。就像空间一样，时间也可以被认为是我们可以移动的另一个维度。

描述时空平面上的运动

事实上，在每一种运动中，时间都是一个基本的实体。物理学更好地使用时空平面来描述运动。如果我们把时间当作第四个维度(假设我们只有三个空间维度)，它在数学上就会变得更简单、更清晰。

时间和空间之间的这种联系并不意味着你可以把时间看作是空间的一个维度，以及与之相关的所有含义。你可以把时间和空间想象成芒果和橘子，它们都是水果，但是它们的味道不同。还有更多的谜团有待揭开，请继续阅读。

为什么时间会向前移动?它会停止或逆转吗？



时光无情地流逝

想象时光倒流，你会变得年轻而不是衰老，忘记你的经历，忘记你所知道的一切，最终你会在父母的眼中的一闪而过。这就是科幻作家菲利普·k·迪克(Philip K. dick)在他的小说《时钟世界》(Counter-Clock World)中对时间的描述。但不幸的是，这在我们的宇宙中是不可能的。时间的方向是宇宙学家正在努力解决的另一个问题。

我们可以记住过去发生的事情，但不能记住将来发生的事情。时间似乎有它偏爱的方向。最基本的问题是:“时间为什么向前移动?”长期以来，这个问题一直困扰着物理学家。事实上“时间向前”到底是什么意思?

熵增加的最终结果

为什么时间会沿着它的方向运动?时间之箭的概念可以追溯到路德维希·玻尔兹曼(1870)的时代，他发现了一种叫做“熵”的东西。熵是无序的量度，它趋于增长。这是热力学第二定律:在这个宇宙中，熵随时间增加而增加，使事物变得更加无序。例如，如果你把文件整齐地堆放在桌子上，然后走开，当你回来的时候，你会发现它们变乱七八糟，这时你不必惊讶，也不必问这是谁干的，这就是熵，宇宙中的基本法则，所以下次有人打翻了你的水杯，摔碎你的手机这种事，你也不必生气，因为他也是顺应宇宙的发展嘛！

熵是一个物理定律，它关心时间是如何流动的。但许多过程，比如影响气体分子相互反弹的运动学定律，即使时间倒流，也能完美运作。但是，总的来说，它们遵循着一个规律，即要求顺序量随时间递减。所以，时间和熵有密切的联系。但是我们不能说是熵使时间流动还是时间之箭使熵增加。

时间-熵可能性

即使我们接受时间流动是由熵增加引起的观点，但为什么熵在大爆炸之前如此之低呢?大爆炸之前没有时间维度吗?

很难相信宇宙的信息文件是整齐地堆放在宇宙之初的。这种极端的秩序是如何在宇宙中实现的?

这真的很奇怪，不是吗?但物理学家肖恩·卡罗尔却有不同的看法。他认为我们的宇宙是更大的多元宇宙的一部分。比如，桌子上可以整齐地堆放文件(低熵)。但是那张桌子是一个房间的一部分，那个房间是房子的一部分，那房子坐落在城市里。所以桌子上可能有一个低熵条件但是整个城市都有高熵条件。通过这种思路，肖恩·卡罗尔暗示大爆炸并不是开始。如果这是正确的，那么问题就变成了“为什么宇宙的一部分会经历低熵状态?”这个问题可能更容易回答。

肖恩·卡罗尔的多元宇宙模型

所以，肖恩·卡罗尔提出了一个不同的宇宙模型。他提出了一个静态宇宙(或者更确切地说，一个多元宇宙)，在那里时间之箭不存在。没有未来和过去之争，一切都是平等的。从那个静止的宇宙中，不同的小宇宙爆炸，并向不同的时间方向运动。没有时间的存在，静止的宇宙中怎么发生任何事情呢?对此，肖恩·卡罗尔认为宇宙中发生的事件没有因果关系，没有进步，没有记忆也没有衰老，新陈代谢等等。只是随机波动。就像在量子力学中，事情偶尔会发生。

时间除了向前走，我们从来没有见过时间做任何事情。但如果时间箭头是热力学第二定律即熵增的函数，那么就可以做出一些推测。当宇宙达到最大熵时会发生什么?宇宙将处于最高的无序状态，在没有秩序可言的地方将保持平衡。在那一刻，时间要么停止，要么就没有意义了。

一些哲学家甚至推测，在那一刻，时间之箭将会反转，熵将开始减小，导致宇宙收缩回一个微小的奇点。但这更多的是一种猜测，而不是科学预测。我们根本不知道到那时宇宙会发生什么。

总结——虽然我们不能准确的定义时间，但你确实是能感觉到时间，因为你经常说你快下班了。

我们能感觉到现在

时间不仅是我们生活的一部分，也是整个宇宙的一部分。物理学家们正努力解决这些让人头疼的时间特性。我们不能停止时间来研究它，我们也不能对同一事件进行重复的时间测量。但是，正如人类的好奇心所要求的那样，对知识的探索一直存在。但“时间是什么?”这个问题并没有结束。时间还有许多令人惊讶的特性有待研究。这是个永恒的话题。

,