时间似乎是现实中最基本的特征之一。秒针滴答作响，日子不断流逝，从行星的运行到人类的记忆，一切仿佛都沿着一个不可逆转的方向展开。我们出生，也会死亡，顺序始终如此。我们围绕时间规划生活，对时间进行精确测量，并将其体验为从过去流向未来的连续过程。时间在向前推进，这一点看起来显而易见，以至于质疑它似乎毫无意义。然而，一个多世纪以来，物理学始终难以准确说明时间究竟是什么。
这并非哲学层面的文字游戏，而是科学中一些最深层问题的核心所在。现代物理依赖于多个彼此不同却同样重要的理论框架。其中之一是阿尔伯特·爱因斯坦提出的广义相对论，它描述了行星等宏观物体的引力与运动；另一个是量子力学，主宰原子与粒子的微观世界。在更大的尺度上，标准宇宙学模型解释了整个宇宙的诞生与演化。这些理论都离不开时间，但它们对时间的处理方式却彼此不相容。
当物理学家试图将这些理论统一到同一个框架中时，时间往往会以出人意料、甚至令人不安的方式出现。有时它会被拉伸，有时会变慢，有时则在方程中彻底消失。
事实上，相对论是对人类日常时间直觉的第一次重大冲击。爱因斯坦证明，时间并非普遍一致的存在。它会因重力强弱和运动速度不同而发生变化。两个相对运动的观察者可能会对哪些事件同时发生产生分歧。时间不再是绝对的，而是与空间交织在一起，形成一种被称为“时空”的四维结构。
量子力学则让情况变得更加古怪。在量子理论中，时间并不是一个被解释的对象，而是被默认为存在。量子力学的方程描述系统如何随时间演化，但时间本身只是一个外在参数，是放置在理论之外的背景时钟。
当物理学家试图在量子层面描述引力时，这种不匹配变得尤为明显，而这正是构建“万物理论”的关键目标之一——该理论试图将所有基本物理理论连接起来。但在许多尝试中，时间作为参数从最基本的方程中消失了。宇宙看起来仿佛被冻结，由不随时间变化的方程所描述。这一困境被称为“时间问题”，至今仍是统一物理理论中最顽固的障碍之一。尽管宇宙学和粒子物理取得了巨大进展，我们仍然缺乏对时间为何会流动的清晰解释。
近年来，一种相对较新的物理学思路开始提供出人意料的答案。这种方法源自克劳德·香农在20世纪40年代提出的信息理论。
当物理学家试图解释时间为何具有方向性时，往往会引入“熵”的概念。热力学第二定律指出，无序总是趋于增加。玻璃杯可能会掉落并摔得粉碎，但碎片不会自发地重新组合。这种过去与未来之间的不对称性通常被视为“时间之箭”的来源。
这一观点影响深远。它解释了许多不可逆过程，也解释了为何我们只能记住过去，而无法记住未来。如果宇宙最初处于低熵状态，并在演化过程中变得越来越混乱，这似乎能够说明时间为何向前推进。然而，熵并不能完全解决时间问题。首先，量子力学的基本方程并不区分过去和未来。时间之箭只在考虑大量粒子和统计行为时才会显现。这也引出了一个更深的问题：为什么宇宙一开始就处于如此低熵的状态？从统计角度看，高熵状态远比低熵状态常见，就像一个房间更容易变乱而非保持整洁。那么，宇宙为何会从一个如此不可能的状态开始？
在过去几十年中，物理学领域经历了一场悄然却深刻的变革。信息，曾经只是用于描述状态或概率的抽象工具，如今越来越被视为一种真正的物理量，与物质或辐射并列存在。熵衡量的是可能微观状态的数量，而信息则衡量物理相互作用如何限制、选择并记录这些可能性。这种观念并非一蹴而就，而是源自热力学、量子力学和引力理论交汇处的一系列难题。当信息仅被当作数学工具时，矛盾开始显现。
黑洞物理学是最早出现裂痕的领域之一。当斯蒂芬·霍金证明黑洞会发射热辐射时，他提出了一个令人不安的可能性：落入黑洞的信息可能会以热的形式永久丢失。这与量子力学要求信息守恒的原则相冲突。
解决这一冲突迫使物理学家正视一个更深层的事实：信息并非可有可无。如果一个宇宙理论要真正包含量子力学，信息就不能在不破坏物理基础的情况下被随意抹除。这一认识带来了深远影响。信息的热力学代价逐渐清晰，抹除信息需要消耗能量，而存储信息则需要物理资源。与此同时，引力与热力学之间出现了令人惊讶的联系。研究表明，爱因斯坦的引力方程可以从热力学原理推导出来，这些原理将时空几何直接与熵和信息联系在一起。在这种视角下，引力的行为并不像一种传统意义上的基本力。
相反，引力更像是一种“涌现”现象，即由更基本成分的集体行为所产生。温度就是一个例子。我们都能感受到温度，但单个粒子本身并没有温度。温度是大量分子共同运动的结果。
同样地，引力也可能是一种涌现现象，源自统计过程。一些物理学家甚至提出，引力本身可能源自信息，反映了信息的分布、编码和处理方式。
这一系列观点促成了一次根本性的视角转变。信息可能比时空本身更为基础，时空反而是由信息产生的。在这一研究背景下，我们提出了一个框架，将时空视为一种信息存储介质，这一设想对理解时间具有重要影响。
在这种方法中，时空并非相对论所描绘的那样完全连续光滑，而是由离散的元素构成。每一个元素都具有有限的能力，用以记录穿过它的粒子和场所携带的量子信息。这些元素并不是简单的“比特”，而是量子信息的物理载体，能够保留过去相互作用的痕迹。
一种有助于理解的方式，是将时空想象为由微小的记忆单元组成，就像材料晶格可以保留缺陷一样。这些微观时空元素可以记录发生过的相互作用。它们不是标准粒子物理模型中的粒子，而是粒子物理所依赖的更深层结构。如果时空能够记录信息，那么它的当前状态不仅反映当下的存在，也包含过去发生的一切。经历过更多相互作用的区域，与经历较少的区域相比，携带着不同的信息印记。从这一视角看，宇宙不仅是在定律支配下演化，它还在“记忆”。
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。尽管量子力学的方程在数学上是可逆的，但真实世界中的相互作用从不孤立发生。它们总会与环境发生纠缠，信息向外扩散，并留下持久记录。一旦这些信息进入更广泛的环境，要想完全恢复原状，就需要逆转沿途产生的所有物理变化，这在实践中是不可能的。
这解释了为何信息无法被真正抹去，也解释了为什么破碎的玻璃杯无法自行复原。更深层的含义在于，每一次相互作用都会在宇宙结构中写入永久的内容，无论尺度是原子碰撞还是星系形成。
在这种观点中，几何与信息密不可分。我们的研究显示，时空曲率不仅取决于质量和能量，还取决于量子信息，尤其是纠缠的分布。纠缠是一种将相距遥远的粒子联系在一起的量子现象，使它们能够共享信息。这些信息连接影响着物质和辐射所体验到的有效几何。从这个角度看，时空不仅回应“存在什么”，也回应“发生过什么”。记录了大量相互作用的区域，其表现出的引力效应更强，而记录较少的区域则相对较弱。
由此，时空的角色发生了微妙变化。它不再是中立的背景，而是积极的参与者。它存储信息，限制未来的动力学，并塑造新的相互作用方式。这自然引出了一个问题：如果时空记录信息，那么时间是否可以从这一记录过程中自然涌现，而不是被事先假定？
在最近的研究中，我们将这一信息视角扩展到了时间本身。我们不再将时间视为基本背景参数，而是展示了时间顺序如何源自不可逆的信息印记。在这种观点中，时间并不是人为附加到物理学中的概念，而是由于信息在物理过程中被写入且无法被完全重写而自然出现。
每一次相互作用都会向宇宙写入信息。这些记录不断累积，由于无法被抹除，它们自然定义了事件的先后顺序。早期状态包含的信息较少，后期状态则包含更多。量子方程本身并不偏好任何时间方向，但信息传播的过程却具有方向性。一旦信息被扩散，就不存在回到原始状态的物理路径。因此，时间顺序并非来自方程，而是来自不可逆的信息记录。
未来与过去之所以不同，是因为宇宙中关于过去的信息远多于关于未来的信息。这一解释不需要依赖特殊的低熵初始条件，只要相互作用发生、信息被记录，时间就会向前推进。
有趣的是，这种信息印记的积累可能带来可观测的后果。在星系尺度上，这些残留的信息印记表现为额外的引力效应，影响星系的旋转方式，而无需引入新的粒子。暗物质正是为了解释星系旋转速度异常而被提出的概念。在信息框架中，这种额外引力并非来自未知物质，而是源自时空记录了漫长的相互作用历史。
积累了更多信息的区域，对曲率和运动的响应更强，看起来就像拥有更强的引力。从这个角度看，暗物质、暗能量以及时间之箭，可能都源自同一个根本过程：信息的不可逆积累。
这一理论是否可以被检验？关于时间的讨论常被认为偏向哲学，但信息框架能够给出具体预测，并与可观测系统直接相连。黑洞提供了天然的试验场。在信息视角中，信息并未在黑洞中消失，而是在越过视界之前被记录在时空中。随着黑洞通过霍金辐射蒸发，这些信息影响辐射的结构，使其并非完全随机。
在实验室中，量子计算机也提供了类似的测试环境。研究表明，即使底层方程是可逆的，信息的写入和传播方式仍然能够产生有效的时间箭头。这使得物理学家能够在受控条件下研究时间的涌现机制。
信息的概念并不会取代相对论或量子力学。在日常条件下，它与钟表时间高度一致。差异只在极端情形中显现，例如黑洞附近或宇宙的早期阶段。在这些情形下，只要相互作用发生且信息被记录，时间仍然具有明确意义。
这一视角重新定义了长期存在的争论。问题不再是时间是否必须是宇宙的基本成分，而是时间是否反映了更深层的过程。在这种观点中，时间不是一个独立存在的背景，而是宇宙通过自身动力学不断书写的结果。
宇宙不仅存在于时间之中。时间，是宇宙写下自身的方式。
来源：studyfinds（编译 / 整理：olaola）
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