一个人类有意识的存在，我们不断地意识到时间无情的行进。你可以把鸡蛋做成蛋卷，但你不能把蛋卷变回鸡蛋。掉落的玻璃破碎，无法重新组装。最重要的是，我们会衰老；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，自然法则的形式没有任何东西能够区分时间的方向。它们是时间对称的。但我们周围宏观物体的行为受制于著名的热力学第二定律，根据热力学第二定律，无序度（用熵衡量）总是随着时间而增加。这将时间的方向或箭头放入现象中。19世纪后半叶，麦克斯韦和玻尔兹曼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成具有均匀温度分布的状态的趋势。
这项最初的工作没有考虑重力。重力带来了许多困惑，因为它会引起“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团。到目前为止，没有人知道如何用熵类型的概念来描述这种行为。这更令人费解，因为爱因斯坦奇妙的引力理论——他的广义相对论——确实表明，黑洞形成时，它们确实具有热力学性质，并且拥有巨大的熵。没有人能够定义宇宙其他部分的引力熵。
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。
也学物理量子力学会吞并相对论吗？
这是最大的问题，也是最小的问题。目前，物理学家有两本单独的规则书来解释大自然是如何运作的。还有广义相对论，它完美地解释了引力和它所支配的一切：轨道运动。。。阅读更多
今天科学家们的一个共同假设是，由于一些未知的，可能是量子力学的原因，宇宙确实是在这样一种状态下开始的。这就是“过去的假设”。它援引了一个事实，即物理学中所有的标准解释都涉及定律和初始条件：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。它依赖于法律和初始条件。
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个仅依赖于法律的潜在解释。1我们是偶然发现它的，它可能是正确的，也可能不是。然而，它的优点是显示了至少一次对称定律（重力）总是导致观察到的结构单向增长。
我们解释的基础在于人们可以对宇宙建立的最简单的“玩具”模型：三个质量相等的粒子，它们按照牛顿万有引力定律相互作用。这三个粒子彼此相对运动，在无限空间中追踪路径，就像三条无限长的意大利面，固定在相互的位置上。每三组曲线的形状都不同于其他曲线。在合理的限制下，如果我们的目标是模拟整个宇宙，1实际上，粒子所描述的所有路径三联体都是图中所示的那种，“宇宙的玩具模型”。
如图中箭头所示，我们看到一个粒子来自左下角，而另外两个粒子彼此环绕并来自右上角。当他们相遇时，会有一个复杂的互动，因此，如图所示，可能会出现合作伙伴的交换。然后，单个粒子飞到左上角，而新粒子对飞到右下角。也可能发生的情况是，没有交换合作伙伴。
在这两种情况下，关键的一点是，由于基本定律不区分时间的方向，箭头可以颠倒，故事在相反的方向上读起来同样好。如果考虑完整的解决方案，2管理这个过程的法律无法让人确定故事的开始或结束。很难说时间是朝一个方向流动的，而不是朝相反的方向流动的。
然而，除了考虑图中的完整解决方案，还有一个有趣的替代方案。让我们从看起来真实的开始。在任何瞬间，三个粒子形成一个三角形。要说它有尺寸，我们需要一把尺子。但这是额外的东西，我们想用三个粒子而不是别的来模拟宇宙。这就给我们留下了三角形的形状，它由两个角度决定。由于形状不断变化，并且可以假设永远不会精确重复，那么如果给我们所有的三角形，我们就可以将它们明确地排列在两个确定的顺序中的一个，每个顺序相对。
现在什么是时间的瞬间？我们的模型中没有时钟告诉他们。我们只有形状。因为它们都是不同的，可以排列成一行，所以我们称它们为瞬间。从远古时代起，月亮形状的变化就被用于测定年代。它仍然控制着伊斯兰历法以及基督教和犹太教的节日。将宇宙的形状视为瞬间，使其成为最终的月球。
这实际上是一个生死攸关的问题，因为我们从出生到死亡都朝着同一个方向前进。
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形，从三个粒子强烈相互作用的中心区域开始。通常，这是一个非常不规则的区域，形状会相应地发生变化。它可能被比作“原始混沌”。让我们任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。
但是现在让我们思考一下，在这个图中，是否有任何意义上可以确定时间的方向。我指出，在我们的宇宙中，两个相反的效应定义了相同的时间方向。无序（熵）在有限区域的增长，同时随着星系、恒星和行星系统的形成，宇宙在大尺度上的结构变得越来越丰富。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。
事实上，我们可以将轨道对视为一个“星系”，当它从“原始混沌”中出现时，它的形成可以在图中一步一步地进行。因此，如果我们将注意力限制在所考虑的对角线上，并通过混沌中结构的增长来定义时间的方向，我们会得到这样一个故事：，在其最基本的特征中，宇宙学家在宇宙中观察到的模型相当好。这是一个整体形状单向变化的宇宙的故事。
当然还有另一条对角线，从左下角到右上角。如果我们倒转上面的箭头，再次将“原始混沌”视为时间的诞生，我们就会得到另一部“宇宙史”，与第一部不同，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记录！这一切都是用三个粒子完成的。由于本文给出的原因，如果粒子数任意增加，同样的事情也会发生。值得注意的是，总是有一个不规则混沌运动的区域——一个“原始混沌”——从中出现两条而且只有两条有效独立的路径。请注意，这个模型的最简单版本有三个粒子，因为时钟不能用两个粒子来定义。
作为上帝般的理论家，我们可以从整体上看这个数字，看到它没有定义时间的总体方向。但是，在这个人物的宇宙中，任何观察者都必然处于我称之为历史的两个部分之一（两条对角线之一）。仅限于此，他们会观察到我们与时间相关的关键属性：过去、现在和未来的划分；测量时间的钟；以及定义时间之箭的结构的逐步增长。因此，他们将人物中心的“原始混沌”视为导致有序现在的过去。
应该说，重要的是每段历史的性质，而不是历史的重复。虽然添加粒子不会改变基本行为，但我们不能指望牛顿理论能够模拟爱因斯坦的广义相对论。然而，有趣的是，牛顿理论中有一些非常特殊的解，它们是爱因斯坦相对较好的模型。
在这些区域中，“原始混沌”不是一个不规则区域，而是一个所有粒子都位于完全相同的点上的区域，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，在该对角线的中间，所有粒子都位于一个点上。这是现代宇宙学大爆炸的一个很有希望的模型。
我想说的一点是：模型的所有解都显示出结构在“混沌”中的单向增长。定律中非常基本的元素意味着增长不能逆转。我的合作者和我自己在论文中给出了根本原因。此外，如果像在宇宙学中一样，我们通过结构的增长来定义时间的方向，那么所有的解都会提供一个时间方向，即使它们是由一个本身并不区分时间方向的定律生成的。
三粒子玩具模型质疑我们对因果关系的本能概念，根据这个概念，过去的事情会导致现在发生的事情。在这幅图中，没有过去可以导致和解释任何现在。因果关系并非如此。法律是唯一的原因，包括只有一个历史的特殊解决方案。所有遵守法律的解决方案都存在于永恒之中，就像风景中的小路或山脉中的山谷。把时间的因果关系理解为解决方案是错误的。路径是简单的。然而，它们可以从结构较少的区域引导到结构较多的区域。该模型证明，在没有任何特殊初始条件的情况下，仅凭定律就足以解释时间之箭。
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。
以这种状态为初始条件，宇宙学家可以非常好地解释具有难以置信的丰富结构和巨大密度对比的现有宇宙是如何形成的。因此，很自然地说，微波背景存在于我们现在的宇宙之前，并通过一种因果机制产生了它。说现在的宇宙是微波背景造成的，这似乎非常奇怪。但是，归根结底，这是一个基于本能的结论，而不是硬事实，本能常常阻碍科学的进步。
这项工作只是一个开始。事实上，这一切都已经从三个粒子的相互作用中显现出来，这是由于牛顿引力定律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，但它是一个更丰富的理论，因此我们还不能说，在这种情况下，单靠定律是否足以创造出一支没有特殊初始条件支撑的时间之箭。然而，如果它真的存在，那么大多数人，包括许多科学家，发现很难摆脱的直觉之一就是时间是真实的，并且确实在流动，这很可能是一种错觉。
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以来，他一直是牛津大学物理系客座教授。
铅图像（和细节）：宇宙的诞生安托万·佩夫斯纳，1933年。©CNAC/MNAM/RMN大皇宫区/艺术资源，纽约
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脚注
1.本文基于论文蒂姆·科斯洛夫斯基、弗拉维奥·梅尔卡蒂和我。读者也可以观看我的演讲，在这里. 我感谢弗拉维奥使用了他的身材。
