（来源：上观新闻）
物理学家素来以恪守现实规则而著称，但在空间概念方面，有些人的态度却极为宽容。对大多数人来说，空间似乎只有三个维度，而弦论就假设空间至少有九个维度。那么，时间可以有几个维度？
对几乎所有物理学家来说，时间是一维的。但个别研究者却大胆追问：是否还有我们体感之外的更多时间维度？
这种思考相当危险。因为一旦对时间的认知改变，就可能打乱因果律。但话说回来，物理学本来就有很多难以解决的问题。要破解它们，或许恰恰需要更激进一些。美国南加州大学的伊扎克·巴尔斯认为：“现实中的万物都可以从一种‘双时间’理论中推导出来。”围绕这个问题，他已经思考了数十年。
如今，包括巴尔斯在内，一些物理学家不仅在研究中暗示黑洞内部可能存在一些非常反常的情况，甚至也能为破解量子力学的谜团提供解决方案。因此，这个大胆的想法或许值得我们认真对待。
扭曲现实的“潘多拉魔盒”
现代物理学有两大理论支柱。量子理论描述了微观粒子的世界，以及四种基本相互作用中的三种，而广义相对论则将剩余的一种引力解释为时空弯曲。然而，这两大理论对现实的描述却无法完全兼容，就如同横亘在物理学中的巨大裂谷，而许多深层次问题只不过是裂谷上的缝隙。
物理学家们认为，在这两种理论背后，可能还隐藏着更深层的物理规律。为了找出能够将两者统一起来的理论，他们提出了很多构想，其中的弦论就试图通过引入额外的空间维度来解决问题。但物理学界普遍认为，我们距离找到真正的答案仍然有很长的路要走。
既然空间可能存在额外的维度，那么时间呢？爱因斯坦相对论至少告诉我们，时间并不像人们通常认为的那样绝对——距离和时长并非固定的属性，它们与观察者的速度有关。假如两名观察者以接近光速、但并不相同的速度飞驰，他们对同样两起事件的空间距离和时间间隔会测到不同的结果，而且双方可能都没有错。
尽管如此，这两名观察者仍遵循相同的物理规律，而爱因斯坦将这一切锚定于光速不变原理。也就是说，无论观察者如何运动，他们测得的真空光速应当相同。为了确保这一点成立，空间和时间就不能彼此独立，一方发生变化，必须由另一方通过相应地变化来补偿。例如，你在空间中移动得越快，那在时间上就移动得越慢。
其结果就是，若贸然添加一个额外的时间维度，很可能带来灾难性后果，导致时间和空间的这种“补偿机制”失效。因此，额外的时间维度非但不能维护现有理论，反而会推导出一些离奇的结果，比如负能量，或是某些事件发生的概率小于零等等。此类荒谬的结果，被物理学家称为“非物理预测”。当理论中存在不止一个时间维度时，要消除这些不合理的结果就会十分困难。
更糟糕的是，增加时间维度还可能破坏因果律。因为这会引出一些穿越时间的捷径，让你得以规避某一个时间维度，从而打乱原本的“先”和“后”，让一些存在明确因果联系的事件，以一种意想不到的方式相互关联，甚至形成时间循环，或者让观察者能绕过历史中的某些部分。用伦敦帝国理工学院理论物理学家克里斯·赫尔的话说：“这在原理上可以让你绕过任何你想避免发生的事件。这样的理论之下，我们所熟知的生命现象将变得难以想象。”
“玩弄时间”的物理学家
可以肯定，玩弄时间绝非胆小者所能为，而有些人却可以做到泰然自若，巴尔斯就是其中之一。没有人比他投入更多精力去发展这些观点。1998年，他提出“双时间物理学”，该框架包含了四维的空间和两维的时间。
巴尔斯表示，他的想法源于对物体两个最基本属性的思考：位置和动量，分别对应物体位于何处以及如何运动。乍一看，两者似乎截然不同，但量子力学暗示，它们之间有着紧密关联——根据“测不准原理”，你永远无法以任意高的精度同时确知这两项属性，也就是说，越是精确地掌握物体的位置，其动量就越不确定，反之亦然。
巴尔斯想知道这种联系能否更进一步，毕竟只要知道物体的动量，就能预测它稍后的位置。物理学的发展也印证了这一点，许多人都试图将截然不同的概念统一起来，而且其努力最终都能取得成功，比如电与磁最终形成了电磁学。
在巴尔斯看来，位置和动量是描述同一基本现实的两种方式，据此他认为，现实可能存在额外的维度，包括第二个时间维度。
为直观解释这种奇特的“第二时间”，不妨假想一个圆柱体：从顶部看，其投影是一个圆形，从侧面看则是矩形。同一个物体，截然不同的形状，这或许正如动量和位置的关系。巴尔斯表示：“把四维空间和两维时间想象成一个房间，那么三维空间和一维时间就像它的墙壁，在每一面墙上，你看到的都是同一个现实的不同投影。”
更重要的是，将位置和动量视为对现实的可互换描述，就能在添加第二个时间维度时避免一些常见问题。而一旦你选定某种方式观察系统，比如以位置而非动量为视角，那么一个空间维度和一个时间维度便会从物理学中实质性消失，剩下的就是我们熟悉的时空图景，因果悖论因此被消除。
这在数学上或许可行，但仍留下一个根本性问题：这套理论能给我们带来什么？美国加利福尼亚州查普曼大学的物理哲学家艾米丽·阿德拉姆说：“我们需要清楚地知道这将去往何方，以及它可能会带来什么。”
黑洞内部的“反引力”
2013年，巴尔斯开始与美国普林斯顿大学物理学家保罗·斯坦哈特以及英国爱丁堡大学的尼尔·图罗克合作，将他的设想应用于宇宙学。没过多久，这项研究就开始产生一些令人相当不安的结果。
将位置和动量视为可互换的量，虽然想法很简洁，但影响却出人意料地深远。在一个四维“投影”中看似固定的物理量，在另一个“投影”中可能取到完全不同的值。这意味着我们通常以为的常量，例如粒子的质量或引力强度，可能并非一成不变。
巴尔斯和同事在研究宇宙可能经历的“大坍缩”时，的确从理论模型中得出了这样的结果。该模型预测，随着引力变得极强，粒子质量将趋近于零。随后，宇宙不会在坍缩中终结，而是会经过一个短暂的阶段，在此期间，引力转为斥力，最终演化为另一次大爆炸。
巴尔斯说：“第一次得到这个结果时，我很害怕，以为理论可能出了问题。”这让他如此不安，以至于他将“双时间物理学”就此搁置十多年，转而退守相对舒适的弦论和理论粒子物理领域。但他说：“最终，我决定要么全盘放弃我的理论，要么接受它所揭示的有趣现象。”
2025年，巴尔斯重新审视了他的理论，尝试用它解释一种与“大坍缩”相似的情况——黑洞内部的情形。宇宙在“大坍缩”的过程中不断收缩，这与物质落入黑洞看似截然不同，可实际上都可能遭遇同一理论难题——奇点。根据广义相对论，奇点的密度或时空曲率会趋于无穷大，现有方程无法在这种情况下可靠地描述物质和时空演化。多数研究者认为，这表明现有理论不足以解释如此极端的物理环境。但巴尔斯提出，当现有理论在奇点处失效，是否意味着坠入黑洞的粒子就走到了尽头？“它为什么要在这儿停下？之后理应再发生点什么。”他说。
根据巴尔斯的六维模型，变化确实在继续。落入黑洞的粒子并非简单地在奇点处停步，而是继续前行。这与巴尔斯早先的宇宙学研究成果相呼应：按照这一理论，粒子的轨迹可以穿过奇点，进入另一侧的时空区域。在那里，引力的符号发生反转，变成斥力，从而在黑洞内部形成所谓的“反引力区域”。
听起来有些离奇，但巴尔斯表示，这或许能为破解物理学的一个经典难题——“黑洞信息悖论”，提供新视角。
按照量子力学的基本原理，描述物质状态的信息不会凭空消失。然而，斯蒂芬·霍金在20世纪70年代通过理论推导得出，黑洞会缓慢地辐射能量，使得落入黑洞中的物质信息难以被永久保留。由此，构成了著名的“黑洞信息悖论”。但在巴尔斯的模型中，信息并未丢失，可能只是穿过奇点，出现在引力变成斥力的另一侧。
这些大胆的假说能否被验证？原则上确有可能。天文学家可通过观测寻找某些物理常量在宇宙演化过程中发生变化的证据。当然，即使找到了这些变动，我们还是无法立即证明巴尔斯是对的。但至少，它可以为揭开隐藏在现有理论之下更深层次的规律和结构提供线索。
穿越时间的量子纠缠
关于巴尔斯的假说，有一点要记住：这额外的时间维度，绝非人们能够自由穿越或直接感知。这种特点也让一些物理学家对物理意义提出质疑。正如赫尔所说：“这是一个不错而且有趣的想法，也是解读方程的一种巧妙方式。但这只是数学，而非物理。”
尽管如此，“双时间”的概念还是吸引了更多物理学家的关注。法国艾克斯-马赛大学的马尔科·佩蒂尼正试图引入一种更具物理实质的“第二时间”概念，从而避免掉入一些常见的理论陷阱。
佩蒂尼介入这一研究，源于与诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯进行的一场关于量子纠缠的对话。量子纠缠是一种很奇特的效应，将两个相隔极远的粒子的测量结果联系在一起。尽管这两个粒子之间似乎没有传递任何常规信号，但只要测量其中一个粒子，你就能立即推断出另一个的某些信息。
看起来，这种瞬间就能传递到远方的效应，挑战了物理学对“局域性原理”的理解。根据这一原理，一个物体对另一个物体的影响，其传递速度不能超过光速。因此，虽然量子力学能准确描述并预测这种纠缠，但其背后存在什么更深层的物理机制，科学界仍在探索。
佩蒂尼说：“量子纠缠确实令人惊叹，因为它在我们的时空中根本无处容身。”2025年，他就此提出，如果这种联系无法在我们熟悉的时空中被观察到，那么它或许存在于另一个时空维度。他认为，额外的空间对此并无助益，因为信息仍需穿过该空间。因此，唯一可能的就是存在额外的时间维度。
让我们尽量直观地解释一下他的这一想法。想象一下：当你穿行在伦敦的特拉法加广场，忽然进入到另一个时间维度。对你而言，此时原先时空中的一切似乎突然静止。如果你趁机将广场上的一只青铜狮子搬到另一个位置，然后再返回原先的时间维度，那么对广场上的其他人而言，那只狮子仿佛是突然从原来的位置消失，然后又瞬间出现在了另一处。
佩蒂尼给出了一个理论来解释量子纠缠——粒子间并非通过在空间中飞速传播的信号形成联系，将它们关联起来的信息，延伸到了一个隐藏的第二时间维度。而对于身处我们这个时间维度的人来说，这种联系的传递似乎是瞬时的。
然而，这里还存在一个显而易见的问题。如果普通物质能自由进入额外的时间维度，那么广场上的青铜狮子岂不是真的能够瞬移？为防止出现这种荒谬的结果，佩蒂尼借用了弦论中一种被称为“翘曲因子”的数学工具，通过改变时空的几何结构，将粒子物理标准模型中的粒子和力，限制在我们所熟悉的四维时空中，而与量子纠缠相关的信息，则可通过隐藏的时间维度进行传递。
这些想法固然大胆，但更关键的是，佩蒂尼认为他的理论是可以检验的。在一篇未经同行评议的论文中，他提出了一个实验方案：分别制备两对相互独立的纠缠光子，通过相距甚远的探测装置分别对其进行测量。
根据标准量子力学，这两组纠缠的光子相互间并无关联，因此测量其中一对得到的结果，应与另一对无关。但佩蒂尼的模型，却给出了不同的预测。他认为，假如所有量子纠缠都借助同一个“第二时间维度”建立关联，那么即使两组光子是完全独立产生的，其中一组仍有可能通过这个额外的时间维度干扰或影响到另一组，导致两组测量结果之间表现出微弱的相关性，这种效应被称为“串扰”。
佩蒂尼认为，这个实验可用来对其论断进行检验或证伪。德国不来梅康斯特大学数学物理学家索伦·佩特拉特对此表示欢迎。他说：“从科学的角度来看，佩蒂尼似乎做对了所有事：为一个深奥的问题提出了解决方案，讨论了后果，并设计了实验验证的方法。”
如果在此类实验中体现出相关性（这一切都只是“如果”），人们难免会将这个“第二时间维度”视为时空穿梭的潜在途径。佩蒂尼甚至已经开始畅想，该如何对这个神秘的时间维度加以利用。他正在尝试将这一设想应用于“曲速引擎”的理论研究。所谓“曲速引擎”，是一种通过扭曲时空结构来实现超光速旅行的假想装置。而他做这一尝试，纯粹出于好玩。
不过，迄今还没有任何证据能证明“第二时间维度”确实存在。或许，它最终只是一种数学工具，帮助人们揭示在熟悉的四维时空中难以察觉的深层联系。但无论如何，所有这些看起来不可思议的构想，或许能为破解物理学中悬而未决的难题带来新启示。
原标题：《时间，可以不是单行道？！物理家提“第二时间维度”，解码黑洞和量子之谜》
栏目主编：张懿 文字编辑：张懿
来源：作者：寒潮/编译
