對(duì)人類而言，時(shí)間有著明確的方向，我們腦海里記著的總是過去而不是未來。我們漸漸變老而不是越活越年輕。然而物理學(xué)定律卻并不禁止時(shí)間反向運(yùn)動(dòng)。決定火箭加速度或桌球動(dòng)量的方程對(duì)時(shí)間倒流也一樣成立。 在過去大約140年里，科學(xué)家已經(jīng)試著根據(jù)大自然對(duì)無序性的偏愛來排除時(shí)間倒流。亦即，大自然由簡單變得復(fù)雜，這一單向的過程被許多物理學(xué)家用來定義時(shí)間的方向?？墒牵绻F(xiàn)在的大自然傾向于變得雜亂無序，那么它應(yīng)該一直都是如此。我們得弄明白為什么宇宙的起始如此有序——從而允許無序性不斷增加以及時(shí)間向前運(yùn)動(dòng)——按理說宇宙在早期就應(yīng)該已經(jīng)很雜亂無序才對(duì)。盡管對(duì)這個(gè)問題有很多解釋，物理學(xué)家卻并沒能得到統(tǒng)一的令人滿意的理論。 最近一篇學(xué)術(shù)論文對(duì)這個(gè)問題給出了新解釋。文章作者提出引力是解決問題的秘訣。通過對(duì)有引力相互作用粒子的簡單模擬得出結(jié)論：總能夠在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)自然而然地產(chǎn)生出一個(gè)有序的宇宙。從這個(gè)點(diǎn)開始，宇宙在相反的兩個(gè)時(shí)間方向上分裂為兩支。在每一支里，時(shí)間的流動(dòng)都指向無序性增加的方向，這本質(zhì)上誕生出分享著同一個(gè)過去的兩個(gè)未來?！斑@是所有用來解釋時(shí)間流向的基礎(chǔ)的想法中唯一一個(gè)清楚、簡單的理論”，在《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表這一研究成果的作者之一，物理學(xué)家朱利安·巴伯如是說。
混合的彩球 沒有人知道為什么時(shí)間不會(huì)倒流。但絕大多數(shù)科學(xué)家已經(jīng)傾向于認(rèn)為這問題的答案來自熱力學(xué)第二定律，該定律描述了大自然對(duì)雜亂無章的喜好?？紤]一個(gè)裝著100個(gè)彩球的罐子，其中有50個(gè)紅色彩球和50個(gè)藍(lán)色彩球。一個(gè)臨時(shí)工接下來要對(duì)罐子里彩球每一種可能的分布方式進(jìn)行拍照，并把照片拼起來。盡管每一張照片都刻畫出彩球的一個(gè)不同分布方式，但絕大多數(shù)照片看起來會(huì)非常相似：紅色藍(lán)色混成一團(tuán)。只有極少數(shù)照片是紅色在一邊藍(lán)色在另一邊的。隨機(jī)挑出來的一張照片將更可能展示出無序的狀態(tài)，而不是有序的狀態(tài)。 十九世紀(jì)的物理學(xué)家通過思考蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)中熱量的流動(dòng)而認(rèn)識(shí)了這種大自然對(duì)無序的偏好性。當(dāng)兩個(gè)裝有氣體的容器相互連通，溫度較高的容器里運(yùn)動(dòng)較快的分子（想象為藍(lán)色彩球）傾向于與溫度較低的容器里運(yùn)動(dòng)較慢的分子（想象為紅色彩球）混合在一起。由于最可能出現(xiàn)的狀態(tài)是冷熱混合后的無序狀態(tài)，最終這兩個(gè)組合在一起的容器中的氣體會(huì)處于一個(gè)平衡溫度下。 在十九世紀(jì)中期，物理學(xué)家引入了熵的概念來量化熱傳遞系統(tǒng)的無序性。奧地利物理學(xué)家路德維格·玻爾茲曼通過將熵與產(chǎn)生一個(gè)可分辨的宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀組成的分布方式的數(shù)目相聯(lián)系，從而深化了熵的概念。對(duì)于紅色和藍(lán)色彩球完全分開的情況，由于只有極少數(shù)的彩球分布方式可以實(shí)現(xiàn)這種色彩樣式，從而具有很低的熵。類似地，快速的和遲緩的分子則會(huì)有很多種組合方式來產(chǎn)生處在平衡溫度的氣體，因而具有最高的熵。實(shí)現(xiàn)很高的熵的可能組合分布方式比實(shí)現(xiàn)很低的熵的可能組合分布方式多得多這一事實(shí)為熱力學(xué)第二定律提供了基礎(chǔ)：一個(gè)閉合系統(tǒng)的熵總是傾向于增加，直到達(dá)到平衡，無序性最大的狀態(tài)。 熱力學(xué)第二定律定義了時(shí)間的熱力學(xué)方向。它表明時(shí)間的流向從過去到現(xiàn)在再到未來，是因?yàn)橛钪媸菑囊粋€(gè)有序的低熵狀態(tài)向一個(gè)無序的高熵狀態(tài)演化的?？墒侨绻貜?38億年前的大爆炸開始就一直在增加，那么宇宙初始的熵一定足夠低到直至今天仍不能接近平衡的程度。但正如裝著彩球的罐子所揭示的，讓熵處于低狀態(tài)的分布方式并不多。假如你是閉著眼隨機(jī)挑出一個(gè)宇宙初始熵值的話，你基本上肯定能挑出平衡態(tài)。一個(gè)處于平衡態(tài)的宇宙就像那個(gè)氣體分子完全混合的容器：不變化，沒有熱的流動(dòng)，沒有多余的有序來轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序。這并不是科學(xué)家觀察宇宙時(shí)所看到的，過去和現(xiàn)在都不是。 這個(gè)早期宇宙的熵的窘境煩惱著很多物理學(xué)家。他們想證明這個(gè)宇宙不是異常走運(yùn)地突變演化成現(xiàn)在的狀況?？墒褂渺氐慕忉寔碛洗蟊▍s又不靠譜?；氐酱蟊〞r(shí)期，物質(zhì)和能量都被束縛在一個(gè)極熱，密度極大的球體內(nèi)。某些物理學(xué)家把這當(dāng)做一個(gè)有序的，底熵的狀態(tài)；另一些則說它像是一個(gè)充滿了處在平衡態(tài)氣體分子的容器。絕大多數(shù)物理學(xué)家雖然同意熱力學(xué)第二定律對(duì)解釋時(shí)間的方向來說至關(guān)重要，但他們?nèi)韵Ｍ馨l(fā)展出一個(gè)更好的理論來解釋時(shí)間的流向。 雙面神點(diǎn) 巴伯(Barbour)就是他們中的一員。就像低熵態(tài)一樣，他也是個(gè)稀有的物理學(xué)家：一個(gè)自由職業(yè)者。在1968年從德國科隆大學(xué)拿到博士學(xué)位后，他退出了學(xué)術(shù)圈從而可以將精力集中于研究基礎(chǔ)物理學(xué)而不是拿到學(xué)校的固定教職。他生活在一個(gè)很小的英國教區(qū)（有285個(gè)居民），那里鄉(xiāng)村的風(fēng)光和百年的舊宅營造出一個(gè)時(shí)間仿佛自啟蒙運(yùn)動(dòng)時(shí)代就已停滯不前的幻象。 巴伯對(duì)時(shí)間流向問題的研究開始于數(shù)年前。當(dāng)時(shí)他正在思考N體問題，這個(gè)問題需要確定在引力相互作用下的多個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)。他想知道引力在影響物體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)是否也會(huì)影響時(shí)間的運(yùn)動(dòng)。巴伯和加拿大新不倫瑞克大學(xué)的蒂姆·科斯洛夫斯基，加拿大周界理論物理研究所的弗拉維奧·莫卡提一起合作研究這個(gè)問題。他們做了一個(gè)宇宙模型——一個(gè)排除掉所有繁雜細(xì)節(jié)的，用來檢驗(yàn)復(fù)雜的宇宙如何運(yùn)作的模擬裝置。這個(gè)小宇宙由1000個(gè)粒子構(gòu)成，在空間上是無限的，并且粒子之間只通過牛頓引力相互作用。 來來回回
在使用不同數(shù)目的粒子進(jìn)行數(shù)次模擬后，巴伯的團(tuán)隊(duì)注意到在每次模擬中的某個(gè)瞬間，所有的粒子都會(huì)聚集成一個(gè)均勻的圓球，這是復(fù)雜性最小的時(shí)刻。之后系統(tǒng)的復(fù)雜性就開始增加。從復(fù)雜性最小的這個(gè)瞬間開始隨著時(shí)間沿著任何一個(gè)方向流逝，粒子凝結(jié)成的塊數(shù)和它們之間的距離都會(huì)增加。 巴伯的團(tuán)隊(duì)馬上把這種情況和我們的宇宙以及時(shí)間的方向聯(lián)系起來。在一個(gè)瞬間，宇宙模型的1000個(gè)粒子聚集成一個(gè)均勻的圓球，代表著大爆炸時(shí)的情況。從那開始這個(gè)圓球膨脹成一個(gè)稀疏的，復(fù)雜的排布方式，更讓人聯(lián)想到今天星羅棋布的宇宙。這種膨脹，從簡單到復(fù)雜，在時(shí)間的兩個(gè)方向上都會(huì)發(fā)生。這意味著演化形成我們今天見到的宇宙的所有的物質(zhì)和能量都可以在時(shí)間的另一個(gè)方向上獨(dú)立演化。我們所熟知的這個(gè)宇宙可能只是在同一個(gè)空間但不同時(shí)間方向上存在的一對(duì)宇宙中的一個(gè)。 他們因此斷定，生活在任何一個(gè)宇宙中的觀測者都會(huì)得出時(shí)間，從大爆炸到現(xiàn)在，是沿著復(fù)雜性增加的方向流動(dòng)的結(jié)論。處在時(shí)間軸一側(cè)的觀測者的時(shí)間方向?qū)r(shí)間軸另一側(cè)的觀測者來說就是反向的，不過這只是理論上的：一個(gè)觀測者永遠(yuǎn)都不可能和時(shí)間軸另一側(cè)對(duì)應(yīng)的觀測者對(duì)比數(shù)據(jù)，因?yàn)槟且笏聪虼┰綍r(shí)間。 巴伯團(tuán)隊(duì)的理論揭示出玻爾茲曼140年前所不能揭示的：時(shí)間的對(duì)稱性可以從對(duì)時(shí)間變換保持對(duì)稱的物理學(xué)定律中很自然的產(chǎn)生。他們從數(shù)學(xué)上證明了如果真實(shí)的宇宙的行為和模擬的一致，那么一個(gè)由引力驅(qū)動(dòng)的時(shí)間方向便會(huì)隨之產(chǎn)生。這種必然性可以解釋為什么在宇宙早期熵是如此之低。大爆炸就代表著當(dāng)引力起作用時(shí)總會(huì)出現(xiàn)的復(fù)雜性最小的那個(gè)時(shí)刻，這個(gè)關(guān)鍵的時(shí)刻被稱為雙面神點(diǎn)（the Janus point），以羅馬傳說中擁有兩張面孔的神賈納斯來命名——賈納斯的兩張面孔，一張望向過去，一張望向未來。 目前巴伯的團(tuán)隊(duì)正致力于確認(rèn)在由廣義相對(duì)論所支配的宇宙中的粒子的行為也和模擬的相一致。如果他的理論站得住腳，就會(huì)證明一個(gè)有趣的結(jié)論：宇宙是永恒的，時(shí)間無始無終。大爆炸是指向無序增加的兩個(gè)時(shí)間方向的共同起點(diǎn)。我們所熟知的這個(gè)宇宙，由這兩個(gè)時(shí)間方向中的一個(gè)所引導(dǎo)，已經(jīng)演化出星球，銀河以及生命；而雙面神點(diǎn)另一邊的宇宙，雖然無法被我們探測到，卻擁有一樣的初始狀態(tài)，可能和我們的宇宙很相像。
巴伯的發(fā)現(xiàn)同樣也預(yù)示著八成會(huì)讓玻爾茲曼在泉下輾轉(zhuǎn)反側(cè)的一種可能性。如果引力是時(shí)間向前流逝的關(guān)鍵要素，那么也許一種將引力包含進(jìn)來的新的度量可以取代由蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)升華出的熵的概念。這并不是說熵毫無用處或者熱力學(xué)第二定律是錯(cuò)的，但巴伯對(duì)熵是否能夠有效的應(yīng)用于描述宇宙整體抱有疑問。 作為熵的替代品，巴伯的團(tuán)隊(duì)在即將發(fā)表的論文中，提出了稱之為“負(fù)熵（entaxy）”的度量。這個(gè)詞在希臘語中是“向秩序前進(jìn)”的意思，負(fù)熵度量的是由引力產(chǎn)生的有序的程度。它本質(zhì)上與熵相反。根據(jù)他們的模擬，負(fù)熵的最大值出現(xiàn)在雙面神點(diǎn)，此時(shí)引力將物質(zhì)和能量都聚集成有序的一團(tuán)。當(dāng)宇宙從這個(gè)有序的點(diǎn)向兩個(gè)方向演化時(shí)，負(fù)熵隨著物質(zhì)團(tuán)塊的擴(kuò)散變小而減小。 巴伯的團(tuán)隊(duì)也許會(huì)想出一個(gè)包含廣義相對(duì)論和負(fù)熵的更完備的理論。也有可能這些模擬對(duì)真正宇宙的時(shí)間而言并不意味著什么。不管這些研究會(huì)走向何方，巴伯對(duì)他的方案的簡潔性都感到很滿意。如果對(duì)簡單的一組粒子的行為進(jìn)行觀測，提供了理解時(shí)間方向的第一手重要線索，結(jié)果可以一勞永逸的解決所有的問題，也是很不錯(cuò)的。 |
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