时间

奎多·托内利

意大利粒子物理学家，比萨大学通用物理教授，日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）访问学者。他在希格斯玻色子（上帝粒子）的发现中发挥了关键作用，弗朗索瓦·恩格勒特和彼得·希格斯在此基础上获得了 2013 年诺贝尔物理学奖。因为在专业领域的贡献，托内利于2012年被授予意大利共和国总统荣誉勋章，并先后获得过意大利物理学会颁发的恩里科·费米奖、基础物理学特别突破奖等多个奖项。

主要作品：

《寻找他世界：宇宙边缘探索》

《创生》（截止2021年，已授权16种语言）

《当星星升起：宇宙的诞生》

《时间》（2022年获宇宙奖——青少年票选）

中文版序言

我之所以写这本书，是因为时间不仅是科学家的问题，也关系到我们所有人，每个人都有亲身体会。我想每个人都曾在某个时刻思考过时间的本质：它到底是什么，为何一去不复返。

人类从几千年前就开始探寻，古代圣贤留给我们这样的教诲：时间毁灭一切，每过去一个时刻，生命就离终结更近一步，这注定的命运无人能逃过。

人在年轻时不会太在意能活多久，似乎一切都会永远存在，于是也就急不可耐地想走进未来，因为时间仿佛没有流逝。然后，随着年龄的增长，当脸上出现第一条皱纹时，生命时间从指间溜走的感觉就会渐渐浸入我们灵魂深处，慢慢变成一种微微的焦虑。

我们人类所在的物质世界中，一切都以一种周期性的节奏重复着，似乎永无止境，不会改变。日夜交替，月盈月缺，四季变换，划分着我们的一生；地球、太阳、月亮，以及点亮夜空的无数星辰，亘古不变。时间在它们身上循环往复，成就它们的不朽，但这不适用于我们，我们的时间不是一个圆，而更像一条线段，有始有终。

从这种深层的焦虑中，从这种原始的宿命中，诞生了人类发展史上最美丽的事物。埃及金字塔和秦始皇陵的设计和建造都是为了能永久留存。君王要名垂千古，于是古人造出了雄伟的建筑，可与最恢宏的大自然相媲美。

为后世千百年留下印记的愿望也催生了伟大的哲学体系，产生了柏拉图和孔子的思想，以及杰出的艺术品和科学本身。我们深深地知道人生有限，随时可能终结，所以自古就思索着时间。

过去的伟大思想家几乎都探讨过时间，艺术家、画家、诗人、音乐家也一样，但所有对时间的构想在想象力与创造性上都无法与现代科学的发现相比。大约一个世纪以前，当科学家开始研究亚核级微观尺度和宇宙级宏观尺度上的时间时，他们被惊得目瞪口呆。

于是我写了这本书，来和读者分享科学在最近几十年中获得的美妙知识，它不仅讲述科学理论和发现，还囊括了古老神话、艺术、诗歌、文学、历史，以及人类的恐惧。

这本书让我们风驰电掣地回到过去，回到一个没有时间的世界，微小的泡泡在无声的旋涡中上下舞动，没有行星、恒星，也没有其他任何一点儿物质，只有“空”。我们会发现，时间就诞生于此时，138亿年前，在这个微小的泡泡之中，很小的一点儿时空和很少的一点儿物质—能量混在一起，然后一切膨胀到超乎想象。我们会发现，时间与空间密不可分，被物质—能量扭曲，时间是一种物质，一种基本的成分，在我们宇宙的形成中有决定性作用。我们还会发现，时空包含能量，这种能量能振动、摇摆，产生传播几十亿光年的波。

本书是三部曲中的第二部，此三部曲旨在用通俗易懂的语言讲述现代科学对世界的认知。第一部《创生》（Genesi）讲述宇宙的起源，之后这第二部考察了另一个困扰人类千百年的重大问题。我愿和读者分享这些奇妙的主题和概念，其美丽和创意甚至超越天马行空的想象。

科学不仅属于科学家，也关系到所有人，因为从科学中诞生的看世界的方法反映在社会中，反映在我们的社会关系里。过去是这样，现在也是如此：当科学改变时，我们看待物质和宇宙诞生的方式也会改变，我们联接个体和社会的方式也随之改变。

因此，让所有人尤其是孩子迅速接触到最新的科学发现并掌握这些发现带来的世界观就非常重要。在知识时代，中国在世界舞台上将更加光彩夺目。通过阅读本书，中国的年轻人也可获得更先进的工具、更深刻的意识，更有准备地去面对未来的巨大挑战。

奎多·托内利

推荐序 永恒的幻觉

“永恒的幻觉”改编自爱因斯坦，他曾说过，时间是人类顽固的错觉。时间，对于一个普通现代人来说，远远不是错觉，它顽固地刻在我们的日程表上。工作日，一大早我们就会被闹钟叫起；临近中午，肚子饿了该去吃饭了；渐近深夜，该去睡觉了，尽管入睡可能是一件困难的事。当然，在古代，我们还没有严格的考勤制度时，时间也存在着，只是相对比较松散：我们不必为了工作一定要按时起床，如果肚子不饿，大可以再躺一会儿。在农业社会，只要记得给庄稼松土施肥不要太晚就行了。更早的时候，我们的祖先还处于采集狩猎时代，只要肚子不饿，根本不会想到还有时间这种东西。

但不论我们祖先的生活方式如何，他们应该早就可以感知时间——日出日落、季节交替，这些都是可感知的。甚至，人类可以感知到更加精细的时间，比如当听到蛇行的声音时，我们可能在不到一秒的时间内逃之夭夭。但是，精确地记录时间，应该是在进入农业社会以后。为了种植，我们不得不比较精准地记得每一种谷物播种的时间，于是，中国人发明了二十四节气，还将一天划分为十二时辰。古埃及人则将一天划分为24小时。

说起时间，很多人觉得时间是看不见摸不着的，它和空间不一样。一幢大楼有多高，我们有真切的感受；一家商店距离我们的家有多远，我们也有真切的感受。有人说，空间能感受到是因为我们有度量空间的工具，话是不错，但我们其实也有度量时间的工具，比如我们自己的脉搏。后来，人们发明了日晷、刻漏以及钟表来度量时间。到了今天，度量时间最为精确的钟是一种原子钟——光晶格钟，它比任何度量空间的尺子都更精确。事实上，因为有了原子钟，我们放弃了传统度量空间的尺子。我们将光速定义为一个恒定的数，然后，一米的定义就是光在一秒的时间内跑完的距离除以光速。原子钟也好，石英钟也罢，都和科学家定义时间的一个出发点有关：存在着很多精确的周期运动。石英钟是利用一块石英的振动频率，而原子钟则利用对应的原子能够发出的某个光的频率。

时间在科学中非常重要，例如，牛顿力学要用到时间来定义速度和加速度，没有时间，就无法描述物理学定律。在爱因斯坦的相对论中，时间变得更加重要了，爱因斯坦发现，时间和我们日常感受到的不一样，时间是相对的。你的朋友坐一艘接近光速飞行的飞船外出旅行回来后，你会觉得他比你年轻很多，也就是说时间对于你的朋友来说过得很慢，或者反过来他会觉得你身上的时间流逝得太快了，比孔夫子在川上说的“逝者如斯夫”更快。我想有一天我们会看到这种奇迹，也就是说，你可以乘着一艘快速飞船飞进未来。当然，如果我们手边有一个黑洞，我们也能制造这个奇迹，因为时间在黑洞附近流逝得很慢，我们去黑洞附近转一圈再回来时，地球上已经过去了几个世纪。

尽管狭义相对论和广义相对论为我们揭示了时间的某些不为人知的“本质”，但在量子力学中，时间却变成了一个谜。时间在量子力学中完全不同于其他变量，例如空间。时间本身不再是一个所谓的“可观测物理量”，时间好像不是一个变量，而是一个很特殊的背景。有了时间这个背景，我们才能描述量子力学中的定律。如果将广义相对论融合进来，时间就变得更加离奇了：它彻底消失了。对应时间这个背景，我们描述的物理定律中完全没有它，或者说，我们用其他物理学变量取代了时间。也许，这才是时间还没有被理解的真正的本质。也许，这和迄今为止物理学家为什么不能理解量子引力有关。也许，在所有所谓“起源问题”中（宇宙的起源、生命的起源，等等），时间才是我们理解一切的源头。

以上我提到的以及我没有提到的，都在奎多·托内利这本精彩的书中被生动地讲述了。当然，他还从西方的文化传统角度来为我们讲述关于时间的故事。比如，他提到了希腊神话中的第二代神王克洛诺斯，西方常用克洛诺斯来象征时间的一种特性，即自我否定式的吞噬性。其实，中国传统文化中也有关于时间的阐述。庄子写过一则故事：“南海之帝为倏，北海之帝为忽，中央之帝为浑沌。倏与忽时相与遇于浑沌之地，浑沌待之甚善。倏与忽谋报浑沌之德，曰：‘人皆有七窍，以视、听、食、息，此独无有，尝试凿之。’日凿一窍，七日而浑沌死。”不难看到，混沌是宇宙的开始，而“倏”和“忽”在中文中都有时间很快的意思，庄子也许想说，有了时间之后，宇宙的面目混沌不清的状态就不会再继续了。

宇宙大爆炸38万年之后，整个宇宙变得透明起来，光可以在宇宙中自由穿行。随着宇宙继续膨胀和慢慢冷却，光的温度也慢慢变低，物质也在慢慢地聚拢，第一颗恒星被点亮了，星系形成了。在一个叫作银河的星系中，它的半人马旋臂上出现了一颗普通的黄矮星，以及环绕它运动的八颗行星。从内往外数第三颗行星，是一颗普通得不能再普通的固体行星，大约35亿年前，这颗行星海洋中的某个角落出现了第一个生命，也许就是一个简单的被蛋白质包裹的遗传物质。它的生殖能力非常强大，衍生出万千物种，其中，一种叫人科人属智人种的物种发展出了农业和科学，学会了计时，并且开始追问：时间到底是什么？

没错，此时此刻，在北京的家中，我还在思考：时间到底是什么？

理论物理学家、畅销科普书作家 李淼

2023年2月于北京燕归园

本书是一本前沿、优美的时间简史。在书中，作者从经典物理中的时间、相对论中的时间和量子力学中的时间三个方面，带领我们沿着一条曲折的道路、从全新的角度去认识时间，感受速度、悬念、加速和等待。本书不仅讲述了有关时间的科学理论和发现，还囊括了古老神话、艺术、诗歌、文学、历史，以及人类的恐惧。