北京
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，還是某種更深層規律產生的結果？
但據《新科學家》（New Scientist）報道，一項發表于《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：
如果什么都不發生，時間或許根本不存在；
而當量子相互作用開始出現，時間才隨之誕生。
本文2500多字，目錄如下：
“玩具宇宙”引出的時間思考
一個最初沒有時間的“宇宙”
熵的增長，創造了時間
時間或并非基本存在
超冷原子宇宙帶來新進展
量子引力謎題的一塊拼圖
無法證明，但或帶來啟發
這不是最終答案
把“黑洞”放進微型宇宙
發表于《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出來的。這項研究或許能為理解真實宇宙中的時間本質提供新的線索。
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。”巴龍蒂尼說，“我們也會構建由超冷原子組成的系統。”
但很快，他又產生了另一個想法。
“這樣的宇宙其實有點無聊，因為里面幾乎沒有任何事情發生。如果什么都沒有發生，那就好像時間根本沒有流逝一樣。”
這個看似簡單的問題，觸及了現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”劃分成兩個區域：
“明亮區”
“黑暗區”
這一設計借鑒了宇宙學中可見物質與暗物質的概念。
在實驗開始時，這個微型宇宙本質上是靜止且不變的。
沒有明顯的演化過程。
沒有事件發生。
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域之間的原子交換，使它們開始發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，創造了時間
熵通常被理解為系統的無序程度。
在現實宇宙中，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域開始交換原子后，系統的熵發生變化。
于是，研究人員得以為這個原本靜止的宇宙定義一種“內部時間”。
更重要的是，他們發現這種內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演化的薛定諤方程中，并計算原子的量子態演化。
最終得到的理論結果與實驗觀測結果吻合。
換句話說，在這個微型宇宙中，由量子相互作用產生的時間概念，足以解釋系統的實際演化過程。
4.
時間或并非基本存在
事實上，將時間視為某種涌現現象，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，人們同樣發現，對時間的感知能夠從量子關聯中產生。
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。”
與利用光子構建的系統相比，巴龍蒂尼創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內部產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域之間移動，但它們并沒有發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
法國艾克斯-馬賽大學理論物理學家卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）則持更謹慎的態度。
他認為，這類實驗本身并不能真正發現關于時間的新事實。
原因在于，它們是建立在研究人員已經理解的物理規律之上的。
因此，實驗結果在某種程度上已經被實驗設計所預設。
不過，羅韋利同時強調，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：
這并不意味著研究已經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域，使原子無法逃離。
這種結構將模擬黑洞強大的引力束縛效應。
如果成功實現，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
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