为什么时间只往一个方向流逝？
Amanda Gefter　文　Shea　编译
	向前走几步，掉头，然后往回走。没问题。现在，让时间往前流逝几秒，掉头，然后在往回走。没办法了吧？当然不行。正如我们已经熟知的，和空间不一样，时间只有一个方向——从过去向未来流动，从不掉头。 　　这一切看起来就像事物的自然秩序，但如果能足够贴近地审视大自然，你会发现它并不是这样。对物理学规律的彻底搜查并没有找到这样的“时间之箭”。例如，你可以用牛顿运动定律来计算在过去一个小球是从哪里被扔出去的，同样也可以计算在未来它会在哪儿落地。对于粒子，支配它们行为的规律和力不会因为你把过去和未来互换而发生改变。 　　“真正古怪的事情是，描述我们所见世界的物理规律在时间上往未来和往过去都能奏效，”澳大利亚悉尼大学的科学哲学家迪安·里克莱斯（Dean Rickles）说，“这里不应该存在一个箭头。” 　　如果时间之箭不在于物理规律，那它来自何方？一条重要的线索来自大量粒子的复杂相互作用。周围你所看见的每一个物体，包括你，都是由巨量的粒子所组成的。这些粒子并非坐着啥也不干——它们会不断地运动和重组。 　　对于任何宏观的系统，例如一塘水或者一块冰晶，物理学家赋予了它们熵。熵所反映出的是你可以用多少种方式来重组一个系统中的组成粒子而不改变其整体外观。一塘水由可以有许许多多种方式排列的水分子构成，这使得它成为了一个高熵系统。另一方面，冰晶则必须以非常精确的方式排列。因为重组的方式较少，因此其熵较低。 　　根据纯粹的统计学，由于有更多的方式来构成，于是高熵系统总是较低熵系统更可能出现。这也正是为什么如果温度足以让分子运动形成新的排列，你总是会看到冰变成水，而从来没有目睹一塘水自发地结晶成冰。确实，如果你看电影看到在温暖的日子里水塘突然冻结的一幕，你就会觉得是电影放反了——时间倒流了。 　　即使熵的增加是统计学意义上的，而非基本现象，它仍催生出了物理学的强有力支柱：热力学第二定律。根据第二定律，宇宙的熵永远也不会下降。于是你可能会想，这其中蕴藏着时间之箭的关键——从低熵到高熵的稳定变化正是我们所感觉到的从过去到未来的流逝。 　　要是真如此简单就好了。不幸的是，第二定律并没有真正解决时间之箭。它只是说，高熵态比低熵态更可能出现。时间并没有出现在其中，这意味着5分钟后的世界可能会比5分钟后的熵更高。 　　由此，解释时间之箭的唯一途径就是假设宇宙恰好始于一个极端小概率的低熵状态。如果不是这样，那时间就会变被粘住，任何有意思的事情（例如我们）就都不会发生。“时间之箭依赖于宇宙源自一个十分特殊的状态，”法国理论物理中心的物理学家卡洛·罗维利（Carlo Rovelli）说，“如果它始于一个随机态，那就无法区分过去和未来了。” 　　事实上，观测证明宇宙确实始于一个低熵态。大爆炸所遗留下的辐射为婴儿期宇宙提供了一张快照。它显示在时间起始后不久物质和辐射极其均匀地分布在整个宇宙中。乍一眼看去，这就像是一个高熵系统——直到你把引力也纳入其中。 　　引力总是使得物质聚集到一起，因此在一个由引力支配的系统中，黑洞是一个更可能出现的状态，高熵也相对于均匀分布更容易出现。低熵的均匀性是极端不可能出现的——那么我们是如何得到这份幸运的呢？“如果我们能解释低熵的过去，那么我们就几乎攻克了时间之箭问题，”里克莱斯说。 　　宇宙学家对于我们在早期宇宙中看到的均匀性有一个解释。在时间开始之后瞬间，宇宙经历一个短暂但却剧烈的膨胀期，被一被称为暴涨的阶段像拉扯橡皮膜一样拉伸空间，抹平了任何的不均匀性。 　　暴涨似乎解决了这个困境。然而，在更仔细地审视下，它只不过把问题又退了回去。为了使暴涨以正确的方式出现来处理我们的宇宙，被称为暴涨场的场驱动了这一膨胀，它必定具有一些惊人的特性。因此尽管暴涨场解释了低熵宇宙的神秘，但它自己也是低熵的。物理学家又如何来解释它呢？ 　　一种可能性是暴涨并不止发生了一次。例如，暴涨场开始自一个混沌的高熵态——一种更可能的情况——以致于它会随着地点的不同而变化。产生我们均匀宇宙以及时间之箭的低熵暴涨只不过是一个更大的高熵场的随机影像。这个场的一些部分会具有合适的条件来诞生出类似我们的宇宙，其他的则会不适宜生命或者形成其他的宇宙。 　　事实上，暴涨场的物理学保证了它总是会残留进而创生出更多的宇宙——不可避免地导致无限的多重宇宙。 　　证据的多股线索现在汇集到了多重宇宙身上，这使得许多宇宙学家开始认真地对待了这个想法。在多重宇宙中，一些宇宙会具有时间之箭，而更多的则没有。我们不应该对于能在前者中找到我们自己感到惊讶，因为这是唯一一类可以形成生命的宇宙。“这是我最青睐的观点，”美国加州理工学院的物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）说，“然而它还没有完全流行开，但我希望在不久以后任何人都会认为它是显然的。” 　　但是即使多重宇宙能解释时间之箭，许多谜题依然存在。例如，热力学第二定律该如何与宇宙的量子特性相容？量子系统似乎具有它自己的箭头：可能的状态总是叠加在一起，直到测量神秘地选择了一个特定的状态，这个过程是不可逆的。神经科学也展示了自身的神秘。为什么人类的大脑只会记得过去而不是未来？ 　　“了解时间之箭是如何在众多的环境——演化、衰老、记忆、因果、复杂性——下真正表现出自己的仍是宽泛没有回答的问题，”卡罗尔说。 　　未来物理学家很有希望会得到更多的解答——当然，如果它确实存在的话。
[New Scientist 2011年10月05日]

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