Science and Technology

时间由什么构成 Inside the lab · © University of Birmingham 一项实验提出，时间或许并非宇宙最基本的存在，而是从内在秩序中涌现出来 编者按 乔瓦尼·巴隆蒂尼博士（Dr. Giovanni Barontini）是英国伯明翰大学物理学教授，隶属于原子量子系统研究组，长期从事超冷量子气体及其在基础物理学中的研究。2026年6月，他在《物理评论研究》（Physical Review Research）发表了一项独立实验研究，首次证明时间可以从一个孤立量子系统内部自然涌现，而无需借助任何外部时钟。这项研究为理论物理学和量子宇宙学长期以来关于时间起源的相关理论提供了首个可控的实验室证据。本次访谈于2026年6月进行。 Adelina 时间是人类经验中最熟悉的存在，却是物理学中最难理解的概念之一。我们能感受到它的流逝，能不断测量它。然而，一些最严谨的宇宙理论却提出，在最基本的层面上，时间或许并不存在。 二十世纪六十年代提出的惠勒–德威特方程（Wheeler–DeWitt equation）将整个宇宙描述为一个单一且静止的量子态，其中不存在任何内置的时间参数。在这一框架中，没有任何外部时钟在宇宙之外持续计时。我们所体验到的时间，无论是流动、方向，还是看似不可逆的演化，都必须源自其他机制。那么，它究竟从何而来？ 为了探索这一问题，巴隆蒂尼博士在伯明翰大学实验室构建了一个微型宇宙。他利用二万四千个仅比绝对零度高出几十亿分之一度的超冷铷原子，创造出一个与外部时钟完全隔绝的封闭量子系统。在这个系统中，一个明亮区域不断扩张与收缩，如同微缩版的宇宙大爆炸及随后的引力坍缩。而就在这个封闭世界内部，时间的概念开始自然浮现。它并非来自外部赋予，而是伴随着系统内部熵的重新分布逐渐形成。 即便如此，巴隆蒂尼博士并未急于得出更进一步的结论。他强调，这项实验并不能证明真实宇宙中的时间同样源于涌现。然而，它首次以实验方式表明，这一长期停留于理论层面的设想不仅符合物理规律，而且能够在实验室中被构建、观察和检验。 我们与巴隆蒂尼博士讨论了这项实验的设计过程、其中最令人意外的发现，以及他如何理解这些结果对于时间本质所带来的启示。 Illustration · © Dr. Giovanni Barontini 对话 关于研究动机 Our Narratives多数实验物理学家的工作，通常是在既有理论框架下进行验证。时间是否属于宇宙最基本的属性，则始终处于物理学与哲学的交汇处，长期以来也被认为过于抽象，难以进入实验室研究。是什么吸引你关注这一问题？又是什么让你相信，现在已经具备了开展实验的条件？ 我想，大多数物理学家真正着迷的，始终都是那些最根本的问题。随着职业的发展，我们不可避免地会越来越专业化。实验变得愈发复杂，专业知识也越来越重要，这是一件再正常不过的事。但与此同时，我们也容易渐渐远离那些最初吸引自己走进物理学的宏大问题。 对我而言，我一直希望保留这种更宽广的视角。我曾在不同的实验平台上工作，但背后的动力始终没有改变。我热爱物理，也始终着迷于另一件事：是否能够构建一个真实存在的物理系统，让原本停留在理论中的抽象概念成为可以观察、可以检验的现实。这项实验正是这种想法的体现。 当然，它不仅源于好奇心，也建立在二十多年操控量子系统的实验经验之上。如果没有这些积累，这个想法大概永远只会停留在纸面上。 真正促使我开始这项研究的契机，其实十分平常。有一天，我看着六岁的儿子搭建属于自己的小宇宙，忽然意识到，从某种意义上说，这也是我们在冷原子物理学中一直在做的事情。我们创造高度可控的小型系统，并尽可能将它们与外部世界隔离。对于系统自身而言，没有外部环境，没有外部观察者，也没有任何外部时钟。 于是，一个问题自然浮现出来：如果一个系统无法接触任何外部时钟，它如何知道时间正在流逝？又如何仅凭自身的演化，为事件建立先后顺序？这正是量子宇宙学中著名的“时间问题”的一种具体形式。冷原子实验之所以适合研究它，是因为我们能够在实验室中构建这一情境的简化模型，并直接观察一个内部时间变量是否会随着系统自身的演化而产生。 Our Narratives惠勒–德威特方程提出于二十世纪六十年代，它描绘了一个没有内置时间参数的宇宙。为什么直到今天，人们才开始尝试通过实验去检验这一思想，即便只是间接验证？究竟发生了什么变化？ 我会谨慎使用“验证”这个词。惠勒–德威特方程属于量子引力理论，我并没有直接检验量子引力本身。我真正研究的是它提出的一个核心概念，也就是一个封闭系统如果不存在外部时间变量，会发生什么。我只是建立了一个实验系统，使这一原本停留在理论层面的问题能够真正进入实验室。 事实上，这个方向已经取得了一些重要进展。例如，许多实验都研究过佩奇–伍特斯机制（Page–Wootters mechanism）。这一理论认为，时间可以从时钟子系统与系统其余部分之间的量子关联中涌现。它是一个非常优美的思想，说明即使整个量子态保持静止，系统内部依然能够存在关联，而对于身处系统内部的观察者来说，这些关联便表现为演化。 我们的工作则建立在另一种物理直觉之上。作为实验物理学家，我并不认为脆弱的量子纠缠是时间涌现唯一的机制，甚至未必是最稳健的一种。 热力学告诉我们，当我们放弃完整的微观信息，对系统进行粗粒化处理，只关注其中一部分自由度时，时间箭头便开始出现。熵因此具有意义，事件也开始拥有先后顺序。 我的问题正是由此出发。我关注的不是时间是否能够从理想化的量子关联中产生，而是一个封闭的量子系统，是否能够仅凭自身不可逆的信息重新分布，构建出属于自己的内部时间变量。 从这个意义上说，时间诞生于一种“无知”。这里所谓的无知，并不是认知上的缺陷，而是热力学中不可避免的粗粒化过程。正因为我们无法掌握全部信息，熵才得以定义，时间也因此获得了方向。 Our Narratives这项实验由你独立设计、独立完成，并以单独署名发表。在实验物理学中，这样的情况并不多见。这是刻意的选择吗？独自完成整个项目是一种怎样的体验？ 这并不是一开始就制定好的计划，但确实是经过认真思考后的决定。随着科研生涯不断推进，人总需要寻找新的挑战。去年，我发表了一篇单独署名的理论论文，那之后我开始想，也许下一步真正值得尝试的，是完成一篇单独署名的实验论文。 独立完成整个项目，也改变了研究本身的发展方式。最大的不同在于，我能够让想法按照自己的节奏自然演化，而不必在每一步都向别人解释自己的思路，或者不断证明某个转折为什么合理。 团队合作当然有它的重要价值，我的大多数研究也都是这样完成。但一个新想法最初萌芽的时候，往往并不是线性的。它需要不断试错、修正方向，有时甚至需要暂时接受混乱。独自工作让我能够更加直接地跟随自己的直觉，也让实验本身不断反馈新的启发。 除此之外，还有一种非常纯粹的快乐。 我依然喜欢待在实验室里，亲手操作自己搭建的设备，亲自完成实验。直到今天，这仍然是我最享受的事情。随着资历增长，许多实验物理学家都会逐渐离开实验台，把更多时间投入项目申请、团队管理和行政事务。我理解这是科研发展的必然过程，但我始终没有真正适应那样的角色。我仍然觉得，作为一名物理学家、一名实验者，我还有很多事情希望亲手完成。 这项工作的诞生，也与当前英国科研环境有关。如今，人们越来越强调应用导向，量子技术成为最受关注的话题，而愿意长期投入基础研究、以纯粹好奇心驱动探索的人反而越来越少。因此，这项工作的独立性既是个人选择，也是现实环境共同促成的结果。