从物理角度讲，时间停止有什么不合理之处?

风云

经常可以在有时间停止的能力角色下看见类似评论，在现实中时停的那一瞬间时停者就会死去，是什么原因死去，时间停止的不合理之处又有哪些呢？

原文地址：https://www.zhihu.com/question/463532554

继续前进

物理学家很早就发现了一个非常奇怪的现象，物理定律其实是双向的，它既允许时间向前，也允许时间向后。举个例子，我们在一个封闭的空间中观察电子在时间中移动，当他们相互靠近时，会因为静电斥力而弹开，用牛顿力学定律和库仑定律就可以描述电子在空间中的运动。
问题来了，如果我们把图像倒过来，让时间倒流，用上面的两个定律同样可以精准的计算电子的位置。这就是让科学家迷惑的地方，物理定律根本不关心时间的方向，也就是说，宇宙法则允许时间倒流。时间能够倒流吗？时间倒流对人类有什么意义？
如果时间倒流，在这颗蓝色的星球上，我们应该能够感知两件事。第一，因果倒置，比如说碎了的杯子自动复合，打破的鸡蛋恢复如初，盛开的花朵变成花蕾，水中逆行的鱼，落山的太阳重新升起，人们死而复生。但是到目前为止，还没有发现这种因果倒置的现象。
第二，未来记忆，人类应该拥有未来的记忆，比如说，我将于五年零三个月后结婚，我在40年后生过一场大病，我会死于65年之后。但是这些记忆都没有，我们只有过去的记忆，没有未来的记忆。
在表象上看，时间不可逆转，我们中国人有句老话叫做“开弓没有回头箭”，时间之间是单向的。有科学理论能证明这件事吗？有一位了不起的科学家说，我可以来试试。
今天，在瑞士利马特湖右岸有一座美轮美奂的大学，瑞士苏黎世联邦理工学院，这是欧洲最著名的学府之一，爱因斯坦、冯诺依曼\提出泡利不相容原理的泡利，发现X射线的伦琴，他们都是这所学院的毕业生。




时间要回到1855年，苏黎世理工学院刚刚建校的那一年，学校聘请了一位德国科学家教授热力学，他的名字叫克劳修斯。同一年，就在这优美的利马特湖畔，克劳修斯突然悟出了一条神秘的宇宙法则，熵增原理，世界的无序度在增加。




就好比我们的屋子，为什么屋里的一切总会变得混乱，为什么脏衣服自己不会变干净，为什么冷水不能自己沸腾，为什么所有的混乱不能自动恢复到有序？克劳修斯说，这是由热力学第二定律决定的。他告诉我们，每当能量从一种状态转化到另一种状态时，我们就会得到相应的惩罚。比如说烧木头，木头释放了能量，相应的惩罚就是变成了灰，不可能重新再烧一次了，木头从有序变成了无序，这个过程就是熵增。
有的朋友会说，不对啊，我看到的是大量的有序，城市里高楼林立，街道上车水马龙，饭馆里菜香飘逸，冰箱里充满了吃的。其实并不是这样的，这些有序不是自然产生的，是耗费了大量的能量做了大量的功才产生的。这些有序都是以消耗能源为代价的。地球是一个相对封闭的系统，它终会用光所有的物质。
那个时候，地球上的无序将达到最大化，地球将变成一个死寂的星球。我们最熟悉的邻居月球就是这样一个地方，上面只有无尽的月尘与陨石坑，那里是一个熵含量远远大于地球的地方。
克劳修斯的熵增定律，惊世骇俗，这不但是一个物理学的定律，它其实也是一种哲学上的思辨。这个理论似乎指出了宇宙的终极命运，如果宇宙也是一个封闭的系统，随着时间的流逝，宇宙中的无序程度将达到最大化，宇宙也终会死亡。科学家将这种情景称为热寂。




但是下一个问题立刻就产生了，如果宇宙正处在熵增之中，那说明曾经存在着一个熵为零，即绝对有序的时间点，那个点会是什么呢？我不用说，大家都能猜到，那个点就是宇宙大爆炸。
有很多人说宇宙大爆炸是假的，这个问题其实应该这样回答，宇宙大爆炸是一种理论，至今还没有被证实，但是有很多科学观察和物理实验都支持这个理论。比如说熵增定律，就可以完美的与大爆炸理论结合在一起。到目前为止，宇宙大爆炸仍然是最科学的，最有力的有关宇宙起源的理论。
当然，在克劳修斯的时代还没有宇宙大爆炸的概念，但是克劳修斯的熵增定律第一次科学地解释了时间箭头的问题。熵是有方向的，时间也必然有方向，因为熵只能增加，不会减少，所以时间不能倒流。在克劳修斯的时代，这么讲似乎没有问题，也符合人类对客观世界的观察。但是不久后就有一位科学家提出了异议，他说，熵增定律的解释有漏洞，时间完全可以倒流，只是我们需要换一种视角来看待问题。
时间来到1877年，奥地利物理学家波尔兹曼正在绞尽脑汁地寻找原子。当时几乎所有的德国科学家都认为原子不存在，那个时代也没有精密的仪器可以观测原子。怎样才能证明这件事呢？波尔兹曼灵光一闪，既然无法观察，能不能使用纯数学的方法，用统计学计算出原子存在的概率呢？




但是由于观点太新奇了，一开始并不为许多著名的学者接受。波尔茨曼为此付出了重大的代价，他被很多人攻击和冷落，这也成为他日后自杀的重要原因。这就是著名的波尔兹曼熵公式，人们将这个公式刻在波尔兹曼的墓碑上。他使用统计学的方法重新诠释了热力学第二定律，这个公式改变了我们对宇宙的认知。




简单地介绍一下波尔兹曼熵的含义。假设现在有两个小球，我们把它们放进两个盒子里，无非就是以下四种情况。第一是两个小球都在左边，第二是两个小球一左一右，第三是一左一右的小球调个个，第四是两个小球都在右边。现在我们提问，在左边盒子里找到两个小球的可能性是多少呢？这个心算都行，1/4的可能性就是25%。我们在这个基础上稍微增加一点难度，如果有四个球，左边盒子里存在两个球的可能性是多少？就是二的四次方等于16，可能性是1/16。如果是五个球呢？可能性就降到了1/32。如果是16个球呢？可能性就降到了1/65536。
如果是128个球呢？可能性就是一个巨大的数字了，这个数字念起来不好念。那如果我们有100万个球呢？其中有两个球在左边盒子里的可能性是多少？2的100万次方，这更是一个天文数字了。100万个小球听上去很大，其实，在现实生活中，这个数字小到可以忽略不计。我们喝的每一口水里存在着10的22次方个水分子，吸一口气，大概有6.02乘以十的20次方个氧原子。我们接触到的所有事物都包含着大量的粒子。如果我们把一切都交给大自然，让其自发地演变，结果就是趋于无序，因为无序要比有序容易得多。
波尔兹曼告诉我们，物理法则其实并没有规定一定要有序或者一定要无序，决定有序与无序的是概率。一切都是概率，被孙悟空打倒的人参果树能不能长回来，这种可能性不是没有，只是概率非常非常的低。可能直到宇宙热寂的那一天，我们也无法观测到一次人参果倒转的现象。当然那是一个神话故事，但是吴承恩很有想象力，他设想了一个时间倒流的经典场景。
波尔兹曼的统计熵非常有意义，他告诉我们，时间之间可以回头，只是概率非常的低。但是在70多年以后，另一位科学家说，统计熵对宇宙的认知还是太简单了，时间完全可以倒流。关键点在于我们如何获取信息。
时间来到1948年，信息论之父香农首次提出了信息熵的概念。他给信息做了个定义，信息的本质就是消除事物的不确定性。所以在我们尝试了解新事物时，就像在一个黑盒子的外面，此时的信息熵达到了最大。我们对事物了解的越多，越趋向于认清事物的本质，信息熵就越小。




举个例子，当我们发现事物存在规律的时候，像是字母abc在不断的重复排列，这个信息就可以被压缩表达为25组abc，大家就明白了。但如果是一组随机的，没有任何结构的字符排列就无法压缩了，因为找不到规律，就需要把每一个字符都复制粘贴，然后发送出去。这就占据了更多的比特，所以这些字符的信息熵就远远大于25组abc。顺便说一句，比特这个单位就是香农定义的。
与前两个定律一样，信息熵同样可以解释为什么时间倒流很困难。对于每一个粒子来说，都有一个初始的信息与之相对应。随着时间流逝，粒子越来越无序，我们越来越无法预测它们下一次会出现在哪里。如果想把时间方向倒转过来，就需要拥有巨大的信息量，因为例子太多了，所以这种信息量大到根本无法计算，我们就认为这是无限的信息量，也就是信息熵达到了最大。
可以说，信息熵是一个革命性的理念，有越来越多的科学家认为宇宙的基本属性，除了质量与能量外，还有第三个量就是信息量，而质量与能量终将归于信息量。有的朋友不理解，这怎么可能呢？质量与能量是看得见，摸得着的东西，信息量是一个抽象的东西，信息怎么会是宇宙的本质呢？其实，一切归于信息化的过程已经开始了。
前几年提出的万物互联，就是一切信息化的起步阶段。这几年特别火的人工智能，脑机互联，这些都是万物归信息化的进程。有人会问，地球上有人类，人类是智慧生物，所以可以归信息化，但是宇宙是个冰冷的，无意识的地方，宇宙怎么归信息化呢？
时间来到1972年，著名物理学家史蒂芬·霍金用数学证明了黑洞世界的表面积永远不会减少。随后，物理学家雅各布·贝肯斯坦提出了黑洞熵的概念，黑洞吞噬的物质信息并没有消失，他会将信息保留在黑洞的表面。虽然科学家们已经拍摄了黑洞的照片，但是因为黑洞的距离太遥远，所以我们无法对黑洞的表面进行观察，现阶段我们也无法理解黑洞是如何保存这些信息的。
让我们放开脑洞想一想，假设现在地球被黑洞吞噬了，根据贝肯斯坦的理论，我们在地球上创造的一切都不会消失，而是被黑洞以信息的形式保存下来。换个说法，黑洞的实质也许就是宇宙的超大硬盘。如果这个理论是真的，这将是多么奇妙的一件事情啊。
物理法则告诉我们，时间是有对称性的，也就是说时间可以倒流，但是熵增定律、统计熵与信息熵又告诉我们，想让时间倒流是非常非常困难的。

大力水手

爱因斯坦说过，时间根本不存在。
从物理学角度来讲，这话是有道理的。
时间这个东西，是人类主观上的理解和认知。
而从物理学来讲，时间是不存在的，存在的是：物质的变化过程。
比如说，一个植物种子，发芽，生长，壮大，然后老去……
这就是物质在变化。
而我们人类为了理解这个变化的过程，就发明或者认知出了一个东西，把这个东西，当作【记录过程】的刻度。
这个刻度，就叫时间。
而物质是变化的，物质是不会静止不变的。
所以，时间不可能停止。
·
PS：是的，你们没看错，身为一个主业是写【时间穿越网络小说】的作者，我其实是认为时间不存在也不可能穿越或者停止或者回溯的。
（狗头）
·

检验医师

其它答主已经提到时间停止时主角(指代停止时间的角色)的一切运动和思考都是与所谓时间停止相违背的，同时所停止的区域边界也会具有奇性。这也只是在经典力学框架下考量后会得出的问题。我们可以再结合相对论来对该问题进行分析：
(本回答采用几何单位制 ，度规 )
众所周知在相对论下，时间和空间不是绝对的，它们只是绝对时空的相对分解而已。既然没有绝对的时空分解，那么时间停止事实上并不是那么良好定义的。
考虑最简单的狭义相对论时空： ，假设你选择了一个惯性坐标系进行时空分解： ， ，我们要求空间分解超曲面中开子集 在 之间时间被停止。



该情况的时空图，图中展示两个质点A,B穿过时间停止区时的情况

看起来没什么问题，但当我们换一个惯性系：


首先新观者可以观察到时间停止区里的一切不论原来观测空间速度为何，在时间停止区内都统一有非0空间速度(这个速度就是新观者观测到的主角停止时间时的空间速度)，显然破坏能量守恒，不过在主角停止时间时的随动系里本来能量也不守恒，没必要惊奇，这也是经典力学里可以观测到的情况。但不止如此，新系观测到的“时间停止”空间区域并不是一瞬间区域就全部停止的，而是一个连续地扩散过程。这就是狭义相对论里不同惯性系等时面不同的体现。
由于时空分解的不绝对性，我们有必要对时间停止作一个适当的协变推广(而不是只用时间和空间描述)。我们暂时定义狭义相对论时空中的时间停止是一对数据 ，其中 为时空中的开子集，而 是 上整体平移的类时归一矢量场(可以代表 上的一个“静止”观者，存在性由狭义相对论时空中的度规平直而保证)。在 中所有的物理场 均满足 (沿该观者的李导数为0，代表静止)。 可以为物质场的动量 ，密度 ，电磁场 或物质场能动张量 等等等等。但是不难看到这些物理量在边界处 的行为一定是奇异的(导致能量不守恒等)，而且该定义其实在涉及时间导数时是不自洽的，不满足相应的运动方程。
我们有办法写出更好的“时间停止”定义，不过这需要我们对“时间”有更好的理解：
相对论里物理上最有意义的且和题目联系最大的时间就是观者的固有时，数学上定义观者(世界线) 的固有时 为观者曲线 的弧长 ，其中 是 的切矢，可以理解为观者携带的钟表读数，或观者所经历的时间。
还是在狭义相对论时空中，选取惯性坐标系 ，有一观者： ，具有参数： ，带入上述定义，有切矢 ，于是得到该观者的弧长(固有时)： 。现在考虑在不改变观者(不改变其世界线)的情况下强迫其固有时缩短，能下手的地方只有 ，为时空中的度量结构 分量。若我们令 ，显然它是类时单位矢，我们定义新度规 ，不难得出 ，于是该观者固有时就变成了 ，只要让 在某个区域外为 ，那么时空在该区域外就是正常的，而内部则由标量场 控制时间伸缩。而且在该度规变换下 对应的空间几何不变。
而时间静止意味着取 的极限。但取到该极限后度规退化，使得静止区域不再是物理时空，无法在其上定义观者或类似结构，不过在这种极限下物理场的“时间导数”却是可以自洽为0的(见附录)。
我们现在来具体分析该时间伸缩的效应：
还是取闵氏时空 ， 为该时空中的整体平移类时归一矢量场代表一个静态观者。该静态观者由于超曲面正交自然诱导出一个3+1分解，令度规的空间部分为 。
如法炮制定义新度规 ，其逆为 。
令新度规适配导数算符为 ，旧导算对应的新联络为： ，其中 ，而新的重伸缩静态观者为 ， 它在新度规下是类时归一的。我们可以计算这些静态观者为了维持静态抵抗几何效应所受的力：
自然牛顿重力在这里的矢量对应就是 ，注意到它是纯空间矢量，我们可以用矢量分析语言写出其3维形式：
你可能还没有看出什么，但是这个力绝对是猛兽。再重申一遍， 代表静态观者 的“时间流速”(相对我们之前的 )。如果要使得时空中某一区域 十分接近0，那么它的 就会在时间减速与正常的交界处变化极其剧烈，导致这个力非常大。我们可以再分析它究竟多大：
假设在某一区域( )内 (时间流速 不随“时间”变化)，此时 显然为 的Killing矢量场,（可以用新度规将其降指标 带入Killing方程验证）此时它代表了时间平移对称性，自然可以定义守恒量：能量。注意到对于任意测地线切矢场 以及Killing矢量场 ，有 ，因此对于任意具有4动量 的质点，可以定义其能量为 ，只要该质点不受力(重力不是力)，则质点能量守恒。
而观者 所观测到的局域能量则是 。假设质点不受力，则 为常数，而 作为和局域度量结构息息相关的量则可以反应质点3速 的大小(国际单位制中有 )。
那么带有静质量 的自由质点在 点处4动量与 同向， ，那么到 点时的局域能量差则是 ，我们换回国际单位制即 ， 的大小我不用多说。很显然哪怕 点时间流速是 点4倍，多出来的能量都足足有 ，照这个比例，要是将一个区域时间减缓到“几乎停止时”空气分子个个都可以向该区域内部方向加速成为Oh my god particle级别的粒子，如果内部时间并没有完全停止，这对于区域内部绝对是毁灭性打击。
同时我们还可以考虑电磁波在该情况下的几何光学近似。由几何光学近似，光子沿类光测地线移动，令其4动量为 ，显然也可以定义其守恒能量为 。注意到光子4波矢 可以分解为 ，其中 为静态参考系 观测到的光子角频率， 为朝向光子3波矢的单位矢。于是有 守恒，在 点测得角频率 的光子在 点时则会测得 。因此当一个区域时间减缓时，在外部看到的内部光会发生红移。当内部时间相对外部几乎停止时，内部光则会发生无限红移，在外部看的确会变成类似黑洞的结构(三体里的黑域也就如此)，而在内部所看到的外界光则会无限蓝移，结合上一段的内容，此时内部时空边界处是不稳定的，即使 还未为0时也可能变成具有曲率奇性的位置，显然这是十分病态的。
有答主提到可以干脆改设定，不是将区域时空时间减缓，而是将主角自身时间加快。虽然看上去合理些，但是时间流速差区域仍然存在，可以沿用上述讨论，那么主角的身体和周围的气体就会充当oh my god particle流，我不知道有什么核里的设定可以让主角身体承受这种力，不过我知道的是，地球肯定没了。



【附录】局域时间停止的标量粒子与拓扑视角的时间停止现象：

考虑标量粒子拉氏密度： ，我们将其进行3+1分解得： 。若要求粒子在时间停止区 时作用量在任意紧致区域有限，则等价于要求 有界， ， ，在时间停止区其时间导数的确为0。同样的事情发生在其它度规依赖物理场上，因此在 为0的区域里，每条 的积分曲线上物理场相同，若忽略时间停止区与正常区域之间的交界区，我们可以因此将时间停止区域内所有点按 的作用建立等价关系： ，商掉该关系后的新物理时空 具有相同的物理实质，且其上处处度规不退化。由此可以看出，若时间停止区无边，除非存在物理场非度规依赖，否则这种时间停止并不具有物理实质，总可以找到新时空使得时间停止的区域不存在。(再次强调边界项的重要性[doge])

检验医师

除了上面几位朋友指出的不合理的地方外，我还想知道，时间停止的边界在哪儿？
假定我能让3公里之内的时间停止，那么，在3公里的边界上，两个不同时间流速的世界会发生什么现象？
一辆时速五十公里的卡车进入这一区域后，是会整车进入再停止，还是车头速度瞬间为零，然后后面的车身因为惯性撞上去？
如果这个范围扩大到全世界，那么，地球与太阳的相对运动会发生变化吗？
谁来提供这么大的能量？

卡卡

如果单纯的就动漫中主角的生存提出设定硬伤，那么有四个最明显的：1.时间停止了，则光的传播也停止，主角如何拥有视力？2.时间停止了，则空气分子也不动，主角如何呼吸？3.时间停止了，则空气分子不动，分子不动意味着温度直接为0开尔文（零下273.15摄氏度），主角如何防止自己快速失温冻死？4.时间停止了，则空气分子不运动，压强为0，主角如何防止自身膨胀和躯窍液体气化？
当然这些具体问题都是可以通过加设定来弥补的，针对每个具体问题添加具体设定就行了，比如我可以强行设定主角在时间停止时进行预测性的感光，并且其体表会出现魔法膜模拟非时停的温度和压强，并且能够让主角触碰到的东西时间继续流逝，同时时停期间主角不需要呼吸也能生存。
但实际上，问题远不止这些，这实际上是人类对时间的一个认知问题，常识中时间和空间都是独立存在的，但其实不然，时间是事件发生进程的一种描述。
我举个例子：假设真的有时间之神，他让世界的时间在2021年6月7日上午8时44分的最后一秒以0.5倍速流逝，并且中间时间停止1秒，会产生什么影响呢，或者说，会被观测到吗（这其实是一个问题，因为只要有影响去观测这个影响就能观测到，而如果没有影响也就无从观测）？
不会被观测到，而且什么影响都没有，因为整个世界的时间都放缓和暂停了，所以人的计时器的运作也放缓/暂停了，分子的运动也放缓/暂停了，天体运行也放缓/暂停了，根本没有任何影响。会产生这个违反常识结论的主要原因就是时间并不是独立存在的，而是对事件发生进程的描述。如果这个世界的事件都是没有进程的，那就不需要时间这个概念。比方说一辆车和一束光同时从A出发向B运动，“光从A出发到达B”这个事件发生时，“车从A到达B”这个事件才进展了一点点，所以才需要有时间来进行测度，如果这两个事件的发生不需要过程，就好像我现在顺嘴一说“一辆车和一束光从A出发到达B”，当我这句话说完的这个时刻，在语义概念上这两个事件瞬间出现并发生完（就是说在这一瞬间听到这句话的人就知道哦有这么两个事件发生了），那就不存在时间的概念（在语义概念上，光和车的出发以及到达在我说完这句话的时候同时出现，没有过程）。
所以时间停止这个东西的本质是，主角想要发生的事件以外的事件都暂停发生，主角想要发生的事件都继续发生，而这个事实上做不到，因为这个世界上的事件都是关联的，并没有完全孤立的事件，必然会发生无法弥补的设定上的矛盾。