为什么时光一去不复返

破解时间之箭的奥秘期待物理学领域的重大革命

作者： 冯卫东

　　某些婴儿宇宙的时间流动可能沿着相反的方向，从而维持整个宇宙的时间对称。

　　美籍西班牙哲学家乔治·桑塔亚那在其1938年出版的《真理的境界》一书中有一段著名的论述，他将时间比作是沿着导火索燃烧前行的火焰。火焰的位置代表着目前的时刻，它加速向前，但从不回头，只剩燃烧殆尽的灰烬徒留其后。他说：“现在的本质就像是沿着时间导火索前行的火焰。沿着导火索的每一个火花代表着将未来变为过去的‘现在’，这种完美结合形成了亘古不变的历史真理。”

　　其实，这并非一个完美的比喻。沿着导火索飞跃的火花并没有完全抓住时间的奇异特性，这些特性时刻困扰物理学家对相对论和量子力学的思考。但是，桑塔亚那的火花确实阐明了时间之最持久、最令人费解的特性之一，那就是时间之不可逆转。

　　时间总是永远地奔向未来。一呼一吸之间，你能进入未来，但过去却只能永远停留在记忆里。时间向着一个方向飞奔，就像是离弦之箭，从来不会掉转头来。覆水难收、破镜难圆、死灰难复燃、人老难还童，说的都是这个理。

　　美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡洛尔说：“过去和未来的差异，表现在物理学上，也表现在哲学上，还表现在生物学和心理学等几乎所有科学领域。时间之箭遍布在我们认识宇宙的各条道路上。”

　　但奇怪的是，统治着宇宙的自然法则不承认时间的这种势在必行。描述改变物体运动状态的力的方程，既适用于时光倒流，也适用于时间的向前。一个弹跳分子的微观视频将需要时间标识来区分向前还是向后，在一个分子尺度上，时间没有方向。在一个弹跳的篮球的大世界里，虽然时针始终在运行，但时针之手却从来无法扭转其旋转方向。

　　一个多世纪以来，从时间自然定律的空白到“时间之箭”的出现，物理学家和哲学家一样一直倍感困扰。即使今天在iPhone的应用程序中已有很多关于时间奥秘的解决方案，但新的解释依然层出不穷，这就像上紧了发条的时针一样一刻不停歇。关于时间奥秘的最新解释认为，它可能是一部涉及宇宙起源的宏大戏剧中的一个必不可少的插曲。

　　时间前行之乱了乱了

　　虽然科学家们在时间之箭的确切来源方面并未达成完全一致，但大部分专家认为它与熵有关，也就是热力学第二定律所要求的事物不断增长的失序。随着时间的推移，在与外部影响隔离的任何系统中，失序会增加（或至少停留在原样）。

　　不幸的是，光引用热力学第二定律来解释时间之箭并不能解开这个谜团。的确，不断增长的熵定义了时间的方向，但条件是只有等到一切都处于平衡状态，以技术的术语讲，就是一切都乱成一团。正如奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼在19世纪所作的解释：“乱成一团”是迄今为止事物最有可能的存在方式。时间之箭应属于一个好得不能再好的运气，就像是在通宵扑克游戏中每手牌都能抓上同花顺一样，但就宇宙的熵来说，其明显不可能达到这样的最好运。无疑，每件事物都应当已处于乱成一团的状况，因而也应当没有时间之箭。

　　但是，这不是宇宙应有的方式。当事物乱成一团时，它们并没有像应有的那么乱，也因此宇宙时间的导火索可以继续燃烧。换言之，宇宙中的熵在过去曾低到足以拥有更大的空间而变得更高，正是这种向混乱的探索，驱动着时间之箭向单一的方向前进。解释时间之箭不仅需要热力学第二定律，还需要理解某些原因，如熵为什么曾经如此之低，特别是，为什么随着大爆炸中宇宙导火索的那道光，宇宙时针开始滴答作响之时，熵的值就处于低位。

　　卡洛尔在今年2月于圣地亚哥举行的美国科学促进会年会上说：“试着了解为什么你可以把奶油与咖啡混合，但不能将其分离，就把我们带回到了大爆炸的年代，把我们带回到了这个可观测宇宙的起源问题。”

　　回到宇宙大爆炸之前

　　从大约137亿年前宇宙大爆炸的那一刻起，空间在不断地扩张。引用这种扩张论来解释日常生活中的时间流动，已成为解决时间奥秘的标准策略。这种做法要追溯到半个世纪前，将由热力学第二定律定义的时间之箭与大爆炸诱发扩张理论定义的宇宙之箭联系起来，天文学家托马斯·戈尔德无疑是第一人。该方法以各种形式来证明，扩张的空间允许熵的增加，无论其开始时有多低或多高。即使熵在开始时是高的，扩张的空间也允许其增长到更高。因此，熵在持续上涨，宇宙时钟也在滴答不停。

　　卡洛尔在他的新书《从来世到今生》里指出，这种解决方案只是假设了时间方向的存在，但并没有解释为什么存在。基本上，它只是将大爆炸定义为“过去”的一个点，从此时间就向一个方向流动。这种情景并没有保留宇宙基本方程中发现的两个时间方向之间的对等性。要找到一个完整的解释，将需要回到宇宙大爆炸之前更远的时间。

　　“你经常听宇宙学家说，宇宙大爆炸是空间和时间的开始之刻，在宇宙大爆炸前，从没有出现过这样的事情，”卡洛尔说，“事实是，宇宙大爆炸只是我们的理解所终止的那一刻。因为，我们不知道大爆炸前发生过什么，但它又绝对可能发生过。”

　　事实上，今天的许多宇宙学家正在认真研究宇宙大爆炸之前所发生事情的各种可能性，以及它所创造的宇宙是否只是众多不同的时空泡泡中的一个，这些泡泡就像啤酒杯表面的泡沫那样覆盖在来世表面。这种复杂的“多元宇宙”可能含有无数宇宙个体，每一个在自己的大爆炸中诞生的宇宙个体都以“婴儿”泡泡的形式出现，然后才会割断将其连接到原始“虚空”（emptiness）的脐带虫洞。

　　卡洛尔认为，所谓“虚空”，就是一个高熵环境，技术术语称为德西特空间。可是，一个“空”字，并不能传达出一个十分正确的描述。因为在量子力学，特别是海森堡测不准原理中，一个完全空的空间是不被允许的。能量的波动是不可避免的，在极其罕见的情形下，一个这样的波动将大到足以将一个全新的时空泡泡爆裂成一个现实的“婴儿”宇宙。这个“婴儿”宇宙将能扩张成人类物理学家在一个可从内部加以检视的泡泡中所看到的那一类宇宙。

　　“每一次波动常常会形成一小块宇宙，它由使其越来越快地进行扩张的能量所控制，”卡洛儿解释说，“这种能量在其变成普通物质和辐射前会徘徊一段时间，整个场景看起来就像我们的宇宙大爆炸。”

　　如此这般，这个存在于大爆炸前的高熵的虚空时空总是可以更多地增加其熵，系统（德西特空间“母亲”加上“婴儿”）的总熵将更高，从而维护热力学第二定律。远离其“母亲”空间后，低熵的“婴儿”宇宙将扩张，当“婴儿”宇宙的熵增加时，热力学第二定律就将驱动一个时间方向。最终，“婴儿”宇宙的熵达到一个最大值，变成一个像德西特空间“母亲”那样的宇宙。之后，它也将可以生出自己的“婴儿”宇宙。

　　“随着时间的发展，宇宙爆裂成了现在的模样，一个个“婴儿”宇宙应运而生，它们扩张和冷却，在此刻就有一个时间之箭，”卡洛尔说，“那一刻是几万亿年。”

　最妙的是，此种情形也可能发生在两个时间方向上，因为德西特空间可生成许多时空泡泡。任何一个泡泡都拥有只在一个方向上前进的时间之箭，但另一个泡泡的箭头可能指向相反的方向。总体而言，时间对称性将会得到维持。

　　任何特定泡泡的占有者总是相信，创造了自身泡泡的大爆炸存在于它们的过去。从超脱一切的超级观察者的眼光看，时间向两个方向的移动，就像物理定律总是表明的那样明白无误。

　　“关键是，整个事情，整个多元宇宙，在整体上是关于时间对称的。”卡洛尔说。

　　超越热力学第二定律

　　卡洛尔提醒说，这种想法还只是个设想，有待于宇宙学家大幅提高其计算能力后进行严格验证。它仅是将永恒的物理定律与时间的方向之箭协调一致的许多想法中的一种。麻省理工学院的物理学家洛伦索·麦科恩就指出，第二定律其实不容许两个时间方向。但是发生在相反方向的任何事情将不会留下任何痕迹、记录乃至记忆。如果你正在炒鸡蛋，突然间时间扭转了，这时不仅鸡蛋将恢复原状，你大脑中的神经细胞也会恢复到以前的状态，消除了你原来正在炒鸡蛋的信息。所以，就如麦科恩去年在《物理评论快报》上发表的论文中提出的那样，如果时间真能倒流，也没有人会以任何方式意识到这一点。

　　不过，麦克恩承认，即便是这种方法也还是不能解释，为什么科学家所预测的过去开始时的熵值要远低于现今的熵值。

　　更为复杂的是，援引热力学第二定律的时间奥秘解决方案还可能取决于第二定律本身的效力。利用第二定律帮助解释时间时，如果这一定律本身就是错误的，那解释的效力就大打了折扣。

　　对热力学第二定律的怀疑者曾被认为是不可原谅的异教徒，这部分应归功于英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士（他在偶然的机会创造了时间之箭这个词语）关于第二定律绝无错误的一个著名论断。然而，近年来，第二定律却遭受了前所未有的强力挑战。

　　数学家斯蒂芬·沃尔弗拉姆在其2002年出版的新书《新型科学》中，援引了计算机模拟结果，并声称该证据表明第二定律是完全错误的。其他科学家也在通过各种情景的审查以试图寻找该定律的漏洞，特别是在量子效应发挥作用的地方。

　　意大利物理学家格尔曼诺·德·阿夫拉莫在最近一期《物理评论：A辑》上指出，在过去10年到15年间，对热力学第二定律地位的挑战达到了空前的规模。在此期间，期刊文献中出现了50多篇这方面的论文。

　　且不论第二定律的最终命运如何，从表面看来，时间的导火索在一个方向上继续燃烧，在解释时间奥秘的道路上，科学家们依然需要继续付出相当大的努力。考虑到至今的所有解决方案都不能彻底地解释时间奥秘，关于时间方向的部分谜团仍然极有可能得不到破解。而这也并不令人震惊，因为物理学在试图解释一些重要奥秘上尽管已花了几十年时间，但还不是都以失败告终。

　　在20世纪，相对论和量子力学的伟大科学革命打开了了解自然界复杂的内部运作机制的巨大窗口。但是，许多最深奥的问题仍然没有答案。宇宙主要是由什么组成的？一种身份未明的物质加上一种同样神秘的能量形式，以一种无法解释的密度水平存在于所有空间。大尺度上适用的定律（以重力为基础）最终是否会与微观世界的量子定律相抵触？没有人愿意相信这一点，但将重力和量子物理学结合在一起的努力从来就没有很成功。

　　这些问题给一些科学家带来的感触是，21世纪必将产生另一场可与爱因斯坦媲美的革命，这只不过是一个时间问题。也有人认为，解决时间之箭的奥秘可能需要或启动这样一场革命。这些人中就有诺贝尔奖得主安东尼·莱格特，这位伊利诺伊大学的物理学家在美国科学促进会年会上发表讲话指出，“我们是否以及什么时候能进行一场真真正正的重大革命？相较于相对论或量子力学来说，在未来几十年的某个时刻，物理学革命带来的大量要素将彻底修正我们关于时间之箭的观点”。