新浪科技讯 北京时间12月9日消息，据国外媒体报道，如果将我们的日常生活拍成电影，然后倒放，观众们一定会注意到许多不对劲：河水朝山上流，破碎的鸡蛋重新合为一体，潮水退回海中、沙滩上随之出现了足迹……在现实生活中，我们可以毫不费力地辨认出哪些是过去、哪些是未来，因此顺序一旦颠倒，我们就很容易看出其中的问题。这种自然现象自带的方向性又叫“时间箭头”。由于我们对它太过熟悉，很难想象它的起源至今还是个未解之谜。
热力学与时间箭头
物理学家最早遇到时间箭头的问题是在19世纪、研究气体分子运动规律的时候。假设有一个装满气体的盒子，中间由一道屏障隔开，左侧的气体温度比右侧的高。若将屏障撤掉，左侧快速运动的分子便会与右侧运动速度较慢的分子相互碰撞，使能量重新分配。不久，气体的温度便会变得统一，即所谓的热力学平衡状态。这一过程是不可逆的，永远不可能反向发生。若没有外界干预，热量永远都是从高温热源向低温热源流动，这便是热力学第二定律。
这个结果看似简单，但其中其实暗藏着一条悖论。支配分子运动的物理学定律具有时间对称性，不会区分过去与未来。如果在某种魔法的作用下，盒子里的所有气体分子的速度突然同时反转，盒中的气体温度便会一侧高、一侧低。分子运动法则本身并不会阻止热量违反热力学第二定律、从低温向高温流动。我们之所以不会看到这种诡异的时间顺序，是由其初始条件决定的。上文举例中的气体开始时处于有序状态，热能的分布并不均匀。要想解释盒中气体的时间箭头，首先要弄清它是如何达到这种初始状态的。
1852年，物理学家开尔文男爵将热力学第二定律应用到了宇宙学中，结果得出了科学史上最令人沮丧的结论。开尔文称，宇宙正在缓慢地死去，沿着一条下坡路上一去不回头，最终所有可用的能量源都将耗尽，宇宙也将随之陷入死寂。
开尔文对宇宙热寂的预测不难理解，我们只需要看看太阳就行。太阳一直在以1020兆瓦的功率、一刻不停地向冰冷的宇宙喷吐热量。只要太阳的核燃料尚未用尽，这一过程就会一直持续下去。但这些燃料迟早会耗尽，太阳也会随之死去。不仅是太阳，这也是所有恒星的命运、甚至整个宇宙的命运。宇宙不可能永远维持目前这种状态，就像一台巨大的时钟一样，经历了一个又一个漫长的纪元，迟早有停摆的那一天。
但这也向我们抛出了一个巨大的谜团：这台巨大的宇宙之钟最开始是怎么“上发条”的呢？还是以充满气体的盒子为例，这些气体的时间箭头的起源需要追溯回到它们的初始状态，即开始时的温差。气体一开始处于热力学不平衡状态，一边较热，一边较冷。那么，宇宙的初始条件是否与其有某些相似之处呢？
答案或许就隐藏在宇宙大爆炸之后的余辉中。宇宙微波背景辐射至今仍然充斥着宇宙的每一个角落，并且卫星已经精确绘制了其分布情况。但与装满气体的盒子不同，宇宙背景辐射的密度变化规律明显达到了热力学平衡状态，也就是说，宇宙各处的温度均一致。
那么，要想解释现如今的时间箭头，我们在哪里才能找到这种极其重要的原始热力学不平衡状态呢？
引力秩序或为时间箭头之源
目前的主流理论认为，宇宙大爆炸为宇宙的起源。根据我们目前对宇宙大爆炸的了解，早期宇宙的简洁性和秩序性堪称完美，物质在空间中的分布极其均匀一致，且各处膨胀速度均相同。这种原始的结构简洁性构成了时间箭头的来源。从星系到星团，从恒星到行星，如今我们在宇宙中观察到的所有结构都是在引力作用下、由原始的平滑状态雕琢而来的。例如，太阳就是由一团气体在自身重力作用下向内压缩、温度不断升高、直至激活核反应形成的。也许最初只是与均匀状态稍有偏离（可能仅有一百万分之几），后续孕育出大尺度结构的种子便就此埋下。从宇宙微波背景明显的温度变化规律中也能看出这一点。科学家认为，这些差异可能是宇宙大爆炸发生后一瞬间量子波动的产物。按照这一假设，引力便是宇宙秩序的本源，后续一切不可逆的热力学过程都由此展开。
但谜团至此仍未完全解开。我们肯定会问，为何宇宙刚诞生时的引力秩序会接近完美呢？答案在一定程度上或与大爆炸的“大”字有关，也就是宇宙暴胀。该理论认为，宇宙刚刚诞生时，体积在瞬息之间迅速增大了无数倍，在此之前存在的任何不规则引力都在这一过程中被抹平了，就像气球充气后、表面的褶皱便会消失一样。根据该理论，这次短暂但剧烈的暴胀是由一股巨大的“反引力”驱动的。这股反引力既“点燃”了宇宙大爆炸，又解释了其无与伦比的简洁性和近乎完美的一致性。
事实上，反引力在爱因斯坦的广义相对论中也占有一席之地。爱因斯坦最早于1917年提出了这一概念。按照如今宇宙学家的设想，宇宙也许曾被某种量子场所笼罩，正是这个量子场产生了一股强大的反引力，导致了宇宙初期暴胀的发生。
虽然这个场的存在纯属猜测，但大多数物理学家和宇宙学家都认同这一基本思路，并围绕该主题展开了众多理论研究项目。我们可以忽略其中的技术性细节，因为这些不重要。在解释时间箭头时，最重要的一点是，有某种类似物理定律的过程导致了宇宙暴胀的发生，这也是所有时间箭头相关问题的根源。就像支配日常生活中所有不可逆过程的物理法则一样，主导宇宙暴胀的法则也具有时间对称性，不会区分过去与未来。要想从时间对称性法则中衍生出时间不对称性、即时间箭头的方向，唯一的方法便是限定特殊的初始条件。对宇宙暴胀而言，这就意味着宇宙刚刚诞生时、便伴随着一个处于特殊状态下的暴胀场。
如果主宰宇宙初期的物理法则的确具有时间对称性，就意味着解释时间箭头的重担落到了最初的起点、即宇宙的终极初始条件上。从这里开始，我们便真正进入了一片未知的领域。宇宙是从一片虚无中诞生的吗？还是说在宇宙大爆炸发生之前，便已经有些东西存在了？
假设时间是与宇宙大爆炸同时开始的，那么我们完全可以宣布，宇宙开始时的确处于一种独特的、高度有序的状态。但从另一个角度来看，如果宇宙大爆炸只是宇宙历史上的一个阶段，那么宇宙也许根本没有所谓的最初起点。这样一来，时间箭头又该作何解释呢？
有一种理论认为，所谓“大爆炸”其实只是一次“大跳跃”，宇宙开始膨胀前，先是经历了一段时间的收缩，当时的时间箭头与如今是相反的。这样一来，大爆炸就成了一个具有高度引力秩序的对称点，在我们所处的这个纪元，时间箭头指向前方；而在宇宙大爆炸的另一端，时间箭头则指向后方。还有一种类似的猜测认为，在遥远的将来，宇宙也许会停止扩张、开始加速收缩，最终在一场“大压缩”中发展到顶峰，就像一次方向相反的大爆炸。在收缩阶段，时间箭头的方向会倒转过来。虽然目前的观测结果暂不支持宇宙会重新收缩的说法，但我们不能排除这种可能性。另外还有一种可能，也就是我们所说的多重宇宙。该理论认为，我们所在的宇宙也许只是无限宇宙中的一个。让我们打开上帝之眼、跳到这些宇宙之外看一看，有些宇宙的时间箭头方向朝内、有些朝外，且二者数量均等。不过这里的“朝内”、“朝外”是由我们自己决定的。
这些稀奇古怪的宇宙模型都是为了体现物理法则自带的时间对称性。但也有一些科学家认为，物理学家或许太执迷于对称性了，也许物理法则有时也会打破时间对称性，只是程度较轻而已。而事实也的确如此。科学家已经在亚原子粒子中观察到了一些晦涩难解的现象：少数过程会朝相反的时间方向发生。也许这些微观效应可以为我们打开一扇窗，让我们窥探到物理学的更深处，再将其应用到宇宙的诞生之谜中。这样一来，时间箭头这个旷世之谜或许终可揭晓谜底了。
唯有时间能告诉我们答案。（叶子）
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