时间之箭之谜

一个作为有意识的人，我们总是意识到时间的无情流逝。你可以把鸡蛋做成煎蛋卷，但你不能把煎蛋卷变回鸡蛋。掉在地上的玻璃杯打碎了，不能重新组装。最重要的是，我们衰老衰老;青春一去不复返。

但这是一个巨大的科学谜团。在基本的微观层面上，没有任何自然规律的形式可以区分时间的方向。他们是time-symmetric。但是，我们周围的宏观物体的行为受制于著名的热力学第二定律，根据这一定律，无序(以熵来衡量)总是随着时间而增加。这就为现象指明了时间的方向或箭头。麦克斯韦和玻尔兹曼在19世纪下半叶的经典研究假设了原子的存在，并根据合理的定律表明，原子的非均匀分布总是有被冲刷到温度均匀分布状态的趋势。

最初的工作没有考虑到重力。引力带来了许多困惑，因为它引发了“反热力学”行为:在它的影响下，均匀分布的物质倾向于分裂成簇。到目前为止，还没有人知道如何使用熵类型的概念来描述这种行为。这让人更加困惑，因为爱因斯坦奇妙的引力理论——他的广义相对论——确实表明，当黑洞形成时，它们确实具有热力学性质和巨大的熵。没有人能做的是定义宇宙其余部分的引力熵。

最受欢迎的观点是由伟大的引力理论家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提出的，他试图根据引力场的不均匀程度来定义宇宙其余部分的引力熵。宇宙学观察表明，早期宇宙以异常均匀的状态开始，如果彭罗斯是对的，这对应着一个非常低的熵。从那时起，熵大大增加，尤其是通过黑洞的形成。但这反过来又提出了一个问题:考虑到时间对称定律和高熵状态比低熵状态的可能性大得多的事实，如何解释宇宙初始状态异常低的熵呢?

重力带来了许多困惑，因为它会引起“反热力学”行为。

今天科学家们普遍的假设很简单，就是，由于一些未知的，可能是量子力学的原因，宇宙就是以这种状态开始的。这就是“过去假说”。它援引了这样一个事实:所有标准的物理解释都包含了定律和初始条件:任何实验室实验的结果都是由定律和开始实验的条件决定的。过去的假设将这种传统的思维方式扩展到整个宇宙。它依赖于定律和初始条件。

但是，依靠一个无法解释的初始条件来解释宇宙中两个最显著的特征——我们周围的熵的增长和宇宙中结构的稳定增长——让彭罗斯和像我这样的人感到不满。科学家的动力是解释和理解现象的欲望。我们都想效仿查尔斯·达尔文(Charles Darwin)用四个词解释了这么多:自然选择的进化。就时间之箭而言，它确实是一个生死攸关的问题，因为我们从出生到死亡都在同一个方向前进。是什么让这个世界有了如此惊人的秩序?

我和我的合作者偶然发现了一种可能的解释，它仅依赖于法律。¹我们偶然发现了它，它可能是对的，也可能是错的。然而，它的优点是显示了至少一个时间对称定律(重力)总是导致观测到的结构的单向增长。

我们的解释的基础在于我们可以建立的最简单的“玩具”模型:三个质量相等的粒子按照牛顿的万有引力定律相互作用。这三个粒子相对移动，在无限空间中追踪路径，就像三根无穷无尽、相互固定位置的意大利面条。每一组曲线都有不同于其他曲线的形状。如果我们的目标是模拟整个宇宙，在合理的限制下，几乎所有由粒子描述的路径三组都将是图中所示的那种，“一个宇宙的玩具模型”。

正如图中的箭头所示，我们看到一个粒子来自左下角，而其他两个粒子相互围绕，来自右上方。当他们见面时，会有一种复杂的互动，其结果可能是，如所示，交换伴侣。然后，单个粒子飞到左上方，而新的一对粒子飞到右下方。也可能发生没有交换伙伴的情况。

在这两种情况下，关键的一点是，因为潜在的定律没有区分时间的方向，箭头可以倒转，而故事在相反的方向读起来也同样好。如果考虑完整的解决方案，那么控制过程的法则就无法确定故事的开始或结束。很难说时间是朝一个方向流动而不是相反。

然而，有一个有趣的替代方案来考虑图中的完整解决方案。让我们从看起来真实的开始。在任何时刻，三个粒子组成一个三角形。说它有尺寸，我们需要一把尺子。但这是额外的东西，我们想用这三个粒子来模拟宇宙。这就剩下三角形的形状了，它是由两个角决定的。因为形状是不断变化的，而且可以假设永远不会完全重复，所以如果我们得到了所有三角形，我们可以明确地将它们按两种顺序排列，每一种顺序都是相反的。

什么是瞬时时间?我们的模型中没有时钟来告诉他们。我们只有形状。因为它们都是不同的，并且可以排列成一行，所以我们称之为瞬间。从远古时代起，月亮形状的变化就被用来确定年代。它仍然控制着伊斯兰历法以及基督教和犹太教的节日。把宇宙的形状当成瞬间就能变成终极的月亮。

这确实是一个生死攸关的问题，因为我们从生到死都是朝着同一个方向前进的。

在确定了形状的重要性之后，让我们从形状如何变化的角度来解释这个图，从所有三个粒子强烈相互作用的中心区域开始。通常情况下，这是一个非常不规则的区域，形状也会随之改变。它可以被比作“原始混沌”。让我们随意地称这个中心区域为时间的“开始”。

现在考虑图的对角线，箭头指向远离“原始混沌”的方向。向左向上的线代表单个粒子，向右向下的扭曲的“意大利面条”线代表一对更稳定地在轨道上运行的粒子。这一对作为定义时钟的周期过程。每一个连续的“滴答”发生时，两个粒子中的一个穿过连接粒子质心和第三个粒子的线。也就是当宇宙处于一条线上的三个粒子的特殊形状时。所以我们的玩具宇宙真的很像月亮。

现在让我们想想，在图中，时间的方向，或方向，是否有意义。我指出，在我们的宇宙中，两种相反的效应定义了相同的时间方向。在有限区域无序(熵)的增长，同时宇宙在大尺度上变得越来越丰富的结构，随着星系、恒星和行星系统的形成。我们的模型过于简单，无法模拟熵的增长，但它确实模拟了结构的增长。

的确，人们可以把这对轨道上的行星看作是一个“星系”，它从“原始混沌”中浮现出来，在图中可以一步一步地跟踪它的形成。因此，如果我们把注意力限制在考虑的对角线上，并通过混沌中结构的增长来定义时间的方向，我们就得到了这样一个故事，就其最基本的特征而言，相当好地模拟了宇宙学家在宇宙中观察到的东西。这是一个宇宙的故事，它的整体形状是单向变化的。

当然还有另一条对角线，从左下到右上的那条。如果我们把上面的箭头倒过来，再次把“原始混沌”作为时间的诞生，我们就会得到另一个“宇宙历史”，与第一个不同，但性质相同。我们在一个解决方案中有两个完全不同的历史!这都是由三个粒子完成的。由于本文给出的原因，如果粒子的数量任意增加，同样的事情也会发生。值得注意的是，总是有一个不规则的混沌运动区域——一个“原始混沌”——从中产生两条且只有两条有效独立的路径。请注意，这个模型最简单的版本有三个粒子，因为时钟不能被定义为只有两个粒子。

作为像上帝一样的理论家，我们可以从整体上看这个图形，发现它没有定义时间的总体方向。但在人物的宇宙中，任何观察者都必然处于我称之为历史的两部分之一(两条对角线之一)。在有限的时间里，他们会观察到我们与时间关联的关键属性:过去、现在和未来的划分;测量时间的时钟;以及定义时间之箭的结构的逐步增长。因此，他们会把人物中心的“原始混沌”看作是过去造成了有序的现在。

应该说，重要的是每段历史的本质，而不是历史的重复。虽然基本的行为不会因为加入粒子而改变，但我们不能期望牛顿的理论能模拟爱因斯坦的广义相对论。然而，有趣的是，牛顿理论有一些非常特殊的解，它们是爱因斯坦理论相对较好的模型。

在这些情况下，“原始混沌”不是一个不规则的区域，而是一个所有的粒子都在同一点上的区域，它们最初以相当均匀的分布出现，然后在稳定结构形成之前变得不规则。在这种情况下，只有一条对角线，在这条对角线的中间，所有的粒子都在一个点上。这是现代宇宙学中一个很有前景的大爆炸模型。

我想说的是:模型的所有解决方案都表现出结构在“混沌”中单向增长。这条法律的基本要素意味着经济增长不可逆转。我和我的同事在论文中给出了潜在的原因。此外，如果像在宇宙学中那样，我们通过结构的增长来定义时间的方向，那么所有的解都提供了时间的方向，尽管它们是由一个本身并不区分时间方向的定律产生的。

三粒子玩具模型质疑了我们对因果关系的本能理解，根据这种理解，过去的事情导致了现在发生的事情。在图中，没有过去导致和解释任何现在。因果关系不是这样的。18、法律是唯一的原因，包括案件的特殊解决办法只有一个历史。所有遵循这一法则的解决方案都存在于永恒之中，就像风景中的小径或山脉中的山谷。将时间的因果关系解读为解决方案是错误的。路径简单。然而，它们可以从结构不那么严密的地区引导到结构更加严密的地区。该模型证明，在没有特殊初始条件的情况下，仅凭规律就可以解释时间箭头。

现在让我们回到我们自己的宇宙，它呈现出单向变化。在传统的年代学中，早期的宇宙比今天的宇宙要均匀得多。对笼罩宇宙的微波辐射的观察显示，温度和质量密度的随机波动只有大约万分之一。

把这种状态作为初始条件，宇宙学家就能很好地解释目前的宇宙是如何形成的，它有着令人难以置信的丰富结构和巨大的密度差异。因此，很自然地说，微波背景存在于我们现在的宇宙之前，并通过因果机制产生了它。说现在的宇宙造成了微波背景，似乎非常奇怪。但是，归根结底，这是一种基于本能而不是确凿事实的结论——本能常常阻碍科学的进步。

这项工作只是个开始。这一切已经从仅仅三个粒子的相互作用中出现的事实，是由于牛顿万有引力定律的美丽的简单性和它所拥有的某些建筑结构。爱因斯坦的广义相对论也有它们，但是一个更丰富的理论，所以我们还不能说，在这种情况下，没有一个特殊的初始条件的拐杖，仅凭定律是否足以创造一个时间之箭。然而，如果它真的存在，那么大多数人，包括许多科学家，都难以摆脱的一种直觉——时间是真实的，并且确实在流动——很可能只是一种错觉。

朱利安·巴伯是一位独立的理论物理学家，他对时间的本质进行了大量的研究。自2008年以来，他一直是牛津大学物理系的客座教授。

引线图像(及细节):宇宙的诞生安托万·佩夫斯纳(Antoine pevner)， 1933年。©中航集团/ MNAM / Dist。rmn -大皇宫/艺术资源，纽约

未经纽约艺术家权利协会(ARS)明确书面许可，版权法和国际公约禁止复制，包括下载Antoine Pevsner的作品。

脚注

1.本文基于一篇论文蒂姆·科斯洛夫斯基，弗拉维奥·莫卡蒂和我。读者也可以观看我的演讲，在这里。感谢弗拉维奥利用他的身材。

本文最初发表于2014年1月的《时代》杂志。