时间到底是什么？这个问题听起来像哲学，却是现代物理学最棘手的未解难题之一。

2026年6月，英国伯明翰大学物理学教授乔瓦尼·巴隆蒂尼在《物理评论研究》期刊上发表了一项罕见的实验性成果：他在实验室里造了一个"微型宇宙"，在完全没有外部时钟的情况下，观测到时间从系统内部自然涌现出来。这是物理学界首次在受控实验条件下，为"时间并非宇宙基本属性"这一深刻理论命题提供直接的实验证据。

要理解这项实验的意义，需要先了解它试图回答的那个问题。

伯明翰大学开展了一项实验，旨在捕获铷原子并将其冷却至接近绝对零度。图片来源：伯明翰大学

在经典物理学里，时间是理所当然的背景舞台，牛顿把它描述为绝对的、均匀流逝的量。爱因斯坦的相对论虽然把时间变得可以弯曲和伸缩，但时间在方程里依然是一个独立存在的变量。

然而，当物理学家试图将广义相对论和量子力学统一起来时，时间突然消失了。1967年，约翰·惠勒和布莱斯·德威特推导出一个描述整个宇宙量子态的方程，史称"惠勒-德威特方程"，结果发现方程里根本没有时间这个变量。整个宇宙处于一个静止的量子态，既没有过去，也没有未来。

这就是"时间问题"，它是量子引力理论中最令人头疼的核心矛盾之一。如果宇宙的基础方程里没有时间，那我们每天感受到的时间流逝从何而来？

1983年，物理学家唐·佩奇和威廉·伍特斯提出了一种解答：时间不是外部施加的背景，而是从系统各部分之间的关系中"涌现"出来的。宇宙整体也许是静止的，但宇宙的某一部分相对于另一部分在变化，这种相对变化就是我们感受到的时间。这被称为"关系时间"理论。

用于将激光照射到原子上的光学器件。图片来源：伯明翰大学

这个想法在理论上颇具说服力，但过去40年里一直缺乏实验验证。巴隆蒂尼的工作，就是第一次把它搬进实验室。

实验的设计精巧而克制。巴隆蒂尼将约24000个铷原子冷却至接近绝对零度，仅比绝对零度高几十亿分之一摄氏度，让它们形成玻色-爱因斯坦凝聚态，这是物质的一种极端量子状态，整团原子的行为几乎像一个单一的量子实体。

然后，他用两束不同频率的激光将这团原子分隔成"亮区"和"暗区"两个部分。亮区是可以被观测的部分，暗区则与外界隔绝。整个系统被密封起来，不依赖任何外部时钟。

伯明翰大学物理学教授乔瓦尼·巴隆蒂尼（Giovanni Barontini）在背景中展示用于捕获和冷却铷原子的装置。图片来源：伯明翰大学

接下来发生的事情是关键：亮区的原子团反复膨胀和收缩，在行为模式上与理论预测的宇宙大爆炸后紧接大坍缩的循环宇宙模型相吻合。这个循环的节奏不是由外部计时器驱动的，而是由系统内部原子分布的变化自发决定的。

巴隆蒂尼将这种内部变化定义为"熵时间"：当原子在亮区和暗区之间移动，系统的熵发生变化时，时间就向前推进；当熵分布保持不变时，时间实际上就停止了。这条熵时间的箭头始终朝一个方向流动，清晰地重现了我们日常经验中"过去到未来"的单向感。

用于捕获和冷却铷原子至接近绝对零度（约-273.15摄氏度）的装置的一部分。图片来源：伯明翰大学

更重要的是，研究者发现，用这种涌现的熵时间来表达薛定谔方程依然成立，可以准确预测量子系统的演化。这意味着，用内部关系替代外部时钟，并不会破坏量子力学的数学结构，物理学的标准规律在这个"无钟宇宙"里照样运转。

巴隆蒂尼在接受采访时说："大多数基本物理定律向前和向后都以相同的方式运作，但在日常生活中，时间显然是从过去流向未来的，为什么会这样？这项研究首次在受控实验中表明，时间可以由系统内部的变化来定义，而不是我们通常假设的那个外部滴答作响的时钟。"

这项实验的意义不止于回答一个抽象的哲学问题。它为量子引力和量子宇宙学提供了一个可以实际操作的实验平台，让科学家第一次有机会在实验室里检验那些原本只能在纸上推演的宇宙早期物理机制。

研究者还指出，随着实验技术的进一步发展，类似的装置未来或许可以用来模拟黑洞内部的物理过程，甚至测试关于宇宙大爆炸起点的不同竞争理论。时间，这个我们最熟悉却最难定义的东西，正在被重新审视。