朱利安·巴布爾+梁炳鑫

作為智慧生物，我們時(shí)刻感受著時(shí)間無情的流逝。雞蛋可以做成煎蛋卷，但煎蛋卷無法重新變回雞蛋。玻璃杯掉在地上摔碎之后也不能復(fù)原。時(shí)間在流逝的最明顯證據(jù)是我們的衰老：韶華易逝，青春不返。

但時(shí)間的本質(zhì)仍然是科學(xué)上的未解之謎。微觀層面的自然定理無法確定時(shí)間的方向，它們?nèi)烤哂袝r(shí)間對(duì)稱性。我們周圍的物體在微觀層面上的行為遵循著名的熱力學(xué)第二定律，即無序性（熵）隨時(shí)間增加。這就給物理現(xiàn)象加上了時(shí)間方向，或者說是一枚時(shí)間之箭。19世紀(jì)下半葉，麥克斯韋和玻爾茲曼提出了原子的存在，并論證說，根據(jù)相關(guān)定理，原子的非均勻分布會(huì)趨向于沿溫度均勻分布。

引力帶來許多難題，因?yàn)樗鼘?dǎo)致了反熱力學(xué)的行為。

然而，他們的理論并沒有考慮引力。引力會(huì)帶來許多難題，因?yàn)樗鼘?dǎo)致了反熱力學(xué)的行為：在引力作用下，均勻分布的物質(zhì)傾向于成簇分布。迄今沒有人能夠用熵的概念來解釋這一現(xiàn)象。更令人不解的是，愛因斯坦的引力理論，也就是他的廣義相對(duì)論，確實(shí)顯示黑洞在形成時(shí)存在熱力學(xué)特性，也具有極大的熵值。然而，沒有人能夠?qū)τ钪嫫渌糠侄x引力熵。

偉大的引力理論學(xué)家羅杰·彭羅斯提出了一個(gè)流行學(xué)說，該學(xué)說試圖通過引力場的不均衡性來給宇宙其他部分定義引力熵。天文觀測顯示，早期宇宙處于非常均一的狀態(tài)，如果彭羅斯的理論正確，該狀態(tài)對(duì)應(yīng)的熵值是很低的。從那時(shí)起，宇宙熵值劇烈增加，最為明顯的是通過黑洞的形成。但這又引發(fā)了另一個(gè)問題：根據(jù)時(shí)間對(duì)稱性，以及高熵態(tài)遠(yuǎn)比低熵態(tài)更容易形成的特點(diǎn)，怎樣解釋宇宙誕生初期極低的熵值呢？

目前科學(xué)家普遍簡單地假設(shè)，由于某種未知的量子力學(xué)原因，宇宙就這樣誕生了。這被叫作“過去假說”。這使我們聯(lián)想到，物理學(xué)中的所有標(biāo)準(zhǔn)解都涉及定理和初始條件兩個(gè)方面：任何實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是由定律和初始條件共同決定的?！斑^去假說”把這一傳統(tǒng)延伸到了整個(gè)宇宙，宇宙的存在依賴于物理定律和起源的初始條件。

但是，如果初始條件無法解釋，又怎樣依靠它來解釋宇宙在熵增加的同時(shí)，其中有序結(jié)構(gòu)也在穩(wěn)定增加這兩個(gè)宇宙最明顯的特征呢？彭羅斯和我都無法對(duì)此感到滿意。理解和闡明自然現(xiàn)象是科學(xué)家的動(dòng)力，達(dá)爾文僅用四個(gè)字就總結(jié)了進(jìn)化論——物競天擇，我們也希望能對(duì)宇宙做出這樣的闡釋。時(shí)間之箭問題也是生死問題，因?yàn)槲覀兌紡某錾呦蛩劳觥?/p>

是什么決定了世界具有這樣的秩序？

我和我的合作者發(fā)現(xiàn)了一個(gè)僅僅基于物理學(xué)定理的可能解釋。這個(gè)發(fā)現(xiàn)純屬偶然，也不一定正確。然而，它卻能夠向我們展示為什么具有時(shí)間對(duì)稱性的引力總是導(dǎo)致觀測到結(jié)構(gòu)的單向增加。

我們的解釋建立在最簡化的宇宙模型之上：根據(jù)牛頓萬有引力定律相互作用的三個(gè)等質(zhì)量粒子。這三個(gè)粒子相互靠近，在無窮空間中產(chǎn)生向相對(duì)位置固定并無限延伸的軌跡，有點(diǎn)像意大利面。每一組這樣的三個(gè)粒子形成的曲線都不相同。然而，為了對(duì)整個(gè)宇宙進(jìn)行建模，在合理的限制條件下，最終所有相互作用粒子產(chǎn)生的軌道都會(huì)如圖所示，這就是“最簡化的宇宙模型”。

像圖中箭頭所指的那樣，一個(gè)粒子來自左下方，另外兩個(gè)粒子相互纏繞并且來自右上方。三個(gè)粒子相遇時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，其作用結(jié)果可能導(dǎo)致纏繞的粒子交換。之后單粒子向左上角飛去，新的相互纏繞的粒子對(duì)向右下方移動(dòng)。相互纏繞的粒子也可能不發(fā)生交換。

無論是哪種情況，由于相關(guān)定理不區(qū)分時(shí)間方向，箭頭反向也能進(jìn)行解釋。從整體來看，決定這一過程的定理不可能指明這一過程的始末。單從這一點(diǎn)來看，時(shí)間僅僅可以沿其中一個(gè)方向流動(dòng)，而不是另一個(gè)方向——這是不可能的。

然而，相較于從整體來考量這張圖，另外一種方法更具吸引力。讓我們從確定的因素開始。在任何一個(gè)瞬間，三個(gè)粒子都構(gòu)成一個(gè)三角形。想要測量三角形的大小，就需要一把尺子。然而這把尺子是多余的，我們希望只用這三個(gè)粒子就構(gòu)造出宇宙模型，別無他物。那么，我們能夠利用的就只有三角形的形狀，它由其中兩個(gè)角的大小決定。因?yàn)槿切蔚男螤钤跁r(shí)刻發(fā)生變化，永遠(yuǎn)不會(huì)重復(fù)，我們可以沿相反的兩種順序中的任意一種對(duì)所有三角形進(jìn)行排列。

那么，時(shí)間中的每一瞬是什么？我們的模型中沒有鐘表來獲取這一信息，只有各種三角形。因?yàn)樗鼈兛梢耘帕谐梢粭l線，就把它們叫作時(shí)刻好了。從遠(yuǎn)古起人類就開始利用月亮形狀的變化來判斷日期，今天伊斯蘭世界仍然采用這種歷法，而基督教和猶太教的節(jié)日也與此有關(guān)。把宇宙的形狀作為時(shí)刻，就是把宇宙當(dāng)作終極月亮。

在我們的宇宙當(dāng)中，時(shí)間的走向由兩種相對(duì)的現(xiàn)象決定。

在確立了形狀的重要性之后，讓我們通過形狀的變化來解讀這張圖，從中央?yún)^(qū)域三個(gè)粒子的強(qiáng)烈相互作用開始。一般來講，這是一個(gè)非常不規(guī)則的區(qū)域，形狀也發(fā)生相應(yīng)的變化（或許可以把它比作“原始混沌”）。讓我們把這個(gè)中央?yún)^(qū)域抽象地稱為“時(shí)間之初”。

現(xiàn)在來看一下圖中箭頭離開“時(shí)間之初”的對(duì)角線。左上方的線代表單粒子，右下方的兩條線代表相互纏繞得更加緊密的兩個(gè)粒子。這對(duì)粒子的繞行周期可以提供時(shí)鐘的功能。當(dāng)它們繞過螺旋線相遇時(shí)，相當(dāng)于時(shí)鐘走了一下。此時(shí)，三個(gè)粒子正好處在同一條直線上。我們的宇宙模型用來計(jì)時(shí)真的就像用月亮來計(jì)時(shí)一樣。

現(xiàn)在讓我們來思考一下，這幅圖中能否確定出一個(gè)時(shí)間的方向。我在前文指出，在我們的宇宙當(dāng)中，時(shí)間的走向由兩種相對(duì)的現(xiàn)象決定，即特定區(qū)域里無序性（熵）的增加，以及與此同時(shí)宇宙整體內(nèi)更多星系、恒星和行星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的形成。我們的模型過于簡單，無法展示熵增的過程，卻展示了結(jié)構(gòu)的形成。

我們可以將那對(duì)纏繞的粒子看作“星系”，它從“原始混沌”狀態(tài)產(chǎn)生后的發(fā)展過程可以在圖中進(jìn)行追蹤。因此，如果我們僅僅關(guān)注對(duì)角線，將時(shí)間定義為混沌中結(jié)構(gòu)增加的過程，我們就獲得了一個(gè)能夠在最基本層面很好地模擬天文學(xué)家觀測結(jié)果的宇宙理論。在這個(gè)理論當(dāng)中，宇宙的整體形狀沿單方向變化。

當(dāng)然，圖中還有另一個(gè)對(duì)角線，從左下角指向右上角。如果我們保留這條對(duì)角線上的箭頭，并且同樣認(rèn)為“原始混沌”代表時(shí)間之初，就獲得了另一種宇宙歷史。它與第一個(gè)不同，但是在性質(zhì)上卻屬于一種類型。我們從一種理論里能夠獲得兩種非常不同的歷史，而這些僅僅由三個(gè)粒子產(chǎn)生！由于本文提到的原因，任意增加粒子的數(shù)量，也會(huì)產(chǎn)生同樣的情形。值得一提的是，總有一個(gè)不規(guī)則的混沌運(yùn)動(dòng)區(qū)域，即“原始混沌”，有且只有兩條相互獨(dú)立的軌跡在這一區(qū)域交會(huì)。（這一模型最簡單的版本有三個(gè)粒子，因?yàn)閮蓚€(gè)粒子無法定義時(shí)鐘。）

作為站在上帝視角思考問題的理論學(xué)家，我們?cè)趯?duì)這張圖進(jìn)行整體觀察時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，它并沒有定義全局的時(shí)間方向。但是，任何一個(gè)身處這張圖中的觀察者都一定處在被稱為歷史的部分，即兩條對(duì)角線上。受到這種限定，他們就會(huì)觀察到時(shí)間的關(guān)鍵特征：過去、現(xiàn)在和將來的區(qū)分，衡量時(shí)間的鐘表，定義時(shí)間之箭的結(jié)構(gòu)增加。他們會(huì)將圖中心的“原始混沌”作為過去，而這個(gè)過去導(dǎo)致了有序的現(xiàn)在。

這個(gè)模型的所有解法都提供了源于“混沌”的單一方向結(jié)構(gòu)增加。

應(yīng)當(dāng)指出，歷史的本質(zhì)比歷史的復(fù)制更為重要。雖然增加粒子并不會(huì)改變模型的基本行為，我們卻無法指望牛頓的理論能夠代表愛因斯坦的廣義相對(duì)論。然而有趣的是，牛頓理論中有些非常特別的解法，對(duì)愛因斯坦的理論來說也是良好的模型。

在這些模型當(dāng)中，“原始混沌”并不是不規(guī)則區(qū)域，而是所有粒子都處在同一點(diǎn)。從這一點(diǎn)出發(fā)，它們最初分布得較為均勻，然后在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成前開始變得不規(guī)則。在這種情況下，只存在一條對(duì)角線，對(duì)角線中間所有粒子都處在一個(gè)點(diǎn)上。這個(gè)模型對(duì)解釋現(xiàn)代天文學(xué)的大爆炸理論很有前景。

我想要闡明的論點(diǎn)是：這個(gè)模型的所有解法都提供了源于“混沌”的單一方向結(jié)構(gòu)增加。物理定律中最基本的因素意味著這種增加是不可逆的。我和我的合作者在學(xué)術(shù)論文中給出了這些原因。另外，如果我們像天文學(xué)研究那樣用結(jié)構(gòu)的增加來定義時(shí)間，所有解法都能夠提供時(shí)間的方向，即使它們產(chǎn)生于本身并不具有時(shí)間方向性的定理。

三個(gè)粒子的簡化宇宙模型對(duì)我們直覺中的因果性提出了質(zhì)疑，這種直覺因果認(rèn)為過去發(fā)生的事情決定了現(xiàn)在。而在模型圖中我們看到，不存在能夠產(chǎn)生并解釋現(xiàn)在的過去，真正的因果關(guān)系并不是這樣的。定理是一切的起因，包括只擁有一條歷史線的特殊情況在內(nèi)。所有的可能性都存在于一個(gè)沒有時(shí)間的永恒里，就像地面的路徑，或者山中的峽谷。因果關(guān)系不是通過時(shí)間作用而產(chǎn)生結(jié)果的，而是由所處的路徑?jīng)Q定的，只是它們會(huì)從結(jié)構(gòu)少的區(qū)域通向結(jié)構(gòu)多的區(qū)域。這一模型表明定理本身或許就足以解釋時(shí)間之箭了，不需要設(shè)定特殊的初始條件。

現(xiàn)在，讓我們回到自己所處的宇宙，在這里變化都是單向性的。按照傳統(tǒng)的時(shí)間順序，早期宇宙與今天相比要有序單一得多。觀測到的宇宙微波背景輻射顯示，當(dāng)時(shí)的溫度和質(zhì)量密度的隨機(jī)波動(dòng)頻率大概是1/10000。

把這一狀況作為初始條件，天文學(xué)家可以很好地揭示今天結(jié)構(gòu)多樣、密度差異極大的宇宙是如何產(chǎn)生的。也因此可以很自然地認(rèn)為，微波背景輻射在我們的宇宙產(chǎn)生之前就存在，并且通過一種觸發(fā)機(jī)制導(dǎo)致了宇宙的產(chǎn)生（認(rèn)為當(dāng)前的宇宙產(chǎn)生了微波背景輻射則是非常詭異的）。但是，歸根結(jié)底，這是一種建立在直覺而不是事實(shí)證據(jù)基礎(chǔ)上的結(jié)論，直覺也往往會(huì)阻礙科學(xué)的發(fā)展。

這些工作只是一個(gè)開始。只用三個(gè)粒子的相互作用就能產(chǎn)生以上所有這些論述分析，這要?dú)w功于牛頓定律的簡單明了，以及它具有的構(gòu)建特性。愛因斯坦的廣義相對(duì)論也具有這些特性，但是它是一種豐富得多的理論，所以目前我們無法確定它是否可以只利用定理就足以創(chuàng)建時(shí)間之箭，而不需要初始條件的輔助。如果它確實(shí)能做到這一點(diǎn)，那么“時(shí)間是真實(shí)的并且在不斷流逝”這一包括許多科學(xué)家在內(nèi)的大多數(shù)人都很難擺脫掉的直覺，就很可能只是一種幻覺。