时间这一概念已经印刻在所有人大脑中 ， 似乎就是与生俱来的存在 ， 它记录着世界的一切 。 但在普朗克尺度上 ， 时间这个概念却遭遇了危机 。 物理学家希望找到一种适用于量子引力领域的时钟 ， 却始终未能如愿 。 这是否意味着 ， 在最小尺度上 ， 时间没有意义？
诗人们常将时间比作河流 ， 一条载着我们由出生至老去的自由流动的小溪 。 物理学家们则认为时间有着更具体的含义 。 他们用时间衡量变化 ， 无穷多个瞬间像玻璃珠那样串在一起 ， 未知的将来、现在和已知的过去首尾相接 。
物理学中的时间悖论
时间是一种工具 。 目前时间可以被“切”到十万亿分之一秒那样短 。 但被“切”的究竟是什么呢？不像质量和距离 ， 我们无法具体感知到时间 。 我们看不见 ， 听不到 ， 闻不着 ， 摸不到也尝不出时间；但我们竟能以某种方式测量它 。 爱因斯坦提出广义相对论后 ， 许多物理学家都尝试不断拓展和精炼该理论 。 但该过程中遇到的最大挑战 ， 就是时间 。
“危机出现了 ， ”加州大学河滨分校的数学家John Baez说 ， “一旦危机得以解决 ， 物理学将走向一个新的方向 。 ”这里说的不是日常生活中的物理 。 在我们生活着的低能量地球环境中 ， 秒表、摆钟 ， 还有氢原子钟都将继续精准地记录自然流逝的轨迹 。 但当物理学家们想要将宏观宇宙和亚原子微观世界合并在一起时 ， 危机出现了 。
在牛顿经典定律里 ， 时间是特殊的 。 独立于研究对象之外的“宇宙时钟”记录着每一个瞬间 。 而在广义相对论中 ， 这一假设不再成立 。 爱因斯坦认为时间并非绝对的——即不存在这样一块“宇宙时钟” ， 并用他的方程解释了引力在其中所起的作用 。 他的引力定律指出 ， 无论用何种计时器测量 ， 得到的结果都将一样 。
不过 ， 在物理学的其他领域 ， 尤其是在量子力学中 ， 时钟的选择仍然很关键 。 在1926年薛定谔提出的波动方程中 ， 它扮演了重要角色 。 该方程展示了如何将亚原子微粒类比为一束波 ， 无论该微粒是独自运动还是绕着原子旋转 。 一个波簇可以在空间上从一点运动到另一点 ， 同时在时间上从一个瞬间过渡到另一个瞬间 。
从量子力学的角度来看 ， 能量和物质都可以被分割为离散的部分——即量子 ， 它的运动是跳跃而模糊的 ， 处在剧烈的波动中 。 不像火箭的轨道 ， 这些粒子的行为无法准确计算 。 利用薛定谔波动方程 ， 仅仅能得到某一粒子 ， 或者说某一波簇到达一个确切位置和速度的可能性 。 这与经典物理学描述的世界截然不同 ， 以至于爱因斯坦都抱怨这种不确定性 。 他断不能相信上帝会和世界玩骰子 。
你也许会说量子力学为物理学引入了一种混沌：当精确得知某物的位置时 ， 相应地 ， 测得的速度将不准确；反过来 ， 在速度精确可知的情况下位置又是模糊的 。 海森堡很好地总结了这种独特的现象 ， 即著名的“不确定性原理” 。 但所有的这些不确定行为都发生在一个确定的“舞台”上 ， 即空间和时间均确定 。 事实上始终需要有一块可靠的时钟 ， 来记录发生的一切以便物理学家们描述系统变化的机制 。 至少这是目前量子力学方程建立的方式 。
这也是问题的症结所在 。 物理学家要怎样将引力定律合并起来呢？即如何在量子力学定义的亚原子规则中 ， 无需特定的时钟前提 ， 也能很好地吻合牛顿时间框架？
制造一个量子时钟
在美国犹他大学的广义相对论者Karel Kucha教授看来 ， 测量量子时间的关键是借助数学工具设计一种合适的时钟——这也是他几十年来一直在尝试的事情 。 他一直试着寻找一种亚原子版本的牛顿钟 ， 或者说是量子计时器 ， 它可以用来描述由量子引力影响的特殊尺度下的物理现象 ， 比如黑洞内部和奇点 。
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