时间箭头问题

时间箭头问题

为什么我们的宇宙这么有趣？当我们站在热力学的角度来看宇宙时，这一问题变得越发匪夷所思。站在牛顿范式的角度来看，某个终极定律的解支配着宇宙。这个定律的近似版本或许就是广义相对论和粒子物理标准模型的组合。这里，终极定律的细节并不重要。终极定律有着一个无穷大的解集，支配我们宇宙的那个解是其中之一。当大爆炸初始条件或近大爆炸初始条件选定后，这个解也被选定。

在研究热力学的过程中，我们知道，这个定律的每一个解几乎都在描述着一个处于平衡态的宇宙。因为从定义上看，那些最有可能出现的位形，组合形成了平衡态。另一方面看，平衡态也意味着终极定律的解具有“时间对称性”——系统通过定域涨落，进入更有序状态的概率和进入更无序状态的概率一样高。如果把平衡态宇宙的历史倒放，其可能性和正常历史可能性一样，一般来说也具有时间对称性。所以在这样的宇宙中，全局时间箭头并不存在。

我们的宇宙和终极定律的典型解不同。大爆炸已经过去了130亿年，可今日的宇宙还未达到平衡态。描述我们宇宙的解不具有时间对称性。如果描述我们宇宙的解确实是从无穷大的解集中随机挑选出来的，那么，我们的宇宙具备以上性质的可能性微乎其微。

我们发现，“为什么这个宇宙这么有趣”“为什么它正变得越来越有趣”等问题和另一个问题相关，即“为什么热力学第二定律没有让宇宙在百亿年间进入平衡态”，而它明明有很多机会。

一些迹象提醒我们，我们的宇宙尚未进入热力学平衡态。最简单的一个迹象便是时间箭头的存在。时间的流逝蕴含着很强的不对称性，我们感觉并发现自己总是从过去移向未来。

证明时间方向性的现象不计其数。很多事情不具有时间可逆性（比如，一场车祸、一杯泼出的牛奶、一番措辞不当的对话）。一杯热咖啡能变冷，但很难再变热；糖能溶入咖啡，但很难再析出；掉落的咖啡杯会摔成碎片，如果你什么都不做的话，碎片永远不可能自动复原。我们沿着时间的箭头老去：如果某本书或电影讲述一个人返老还童，那它一定是科幻片，不可能在现实生活中实现。^[7]

平衡态中没有时间箭头。在平衡态中，有序度只能通过随机涨落临时地增高。正放或倒放系统偏离平衡态的过程，一般来说并没有什么区别。假设有一段影片，讲的是处于平衡态的气体原子的运动，当倒放这段影片时，你无法区别你观看的到底是原始版本，还是倒放版本。我们的宇宙与此截然不同。

我们需要解释宇宙中出现的强时间箭头，因为物理学的基础定律都具有时间对称性。这些定律的任意解都存在一个魅影，后者的行为类似于前者的行为，是同一段过程（在互换左右、互换粒子和反粒子后）的倒放。因此，一个人逆时而进、一杯售出的咖啡变烫、四散的碎片自发聚成完整的杯子，这些过程都没有违反基本的物理定律。

为什么从没有发生过上述这些过程？为什么这些不同过程的时间不对称性都指向了一个共同目标——无序度的增加？这一问题称作“时间箭头问题”（problem of the arrow of time）。在我们的宇宙中，有若干个不同的时间箭头。

宇宙在不断膨胀，而不是收缩，这被称作“宇宙学时间箭头”（the cosmological arrow of time）。

如果我们忽略宇宙的一些小区域，这些小区域会随着时间推移变得更加无序（例如，洒出的牛奶、趋于平衡态的气体），这被称作“热力学时间箭头”（thermodynamic arrow of time）。

人类、动物、植物，都会历经生老病死，这被称作“生物学时间箭头”（biological arrow of time）。

我们经历的时间总是从过去流向未来，我们能记住过去，却记不住未来，这被称作“经验时间箭头”（experiential arrow of time）。

还有一个时间箭头，它比以上这些箭头都要隐晦，却是一个促进我们理解的重要线索。光从过去移向将来，因此，抵达我们双目的光线总是告诉我们有关过去世界种种，而不是未来的世界，这被称作“电磁波时间箭头”（electromagnetic arrow of time）。

电荷的运动产生了电磁波。如果让一个电荷上下，电磁波便能从中涌出。这些电磁波总是移向未来，而非移向过去。以上场景在引力波中也同样会出现，所以我们又有了“引力波时间箭头”（gravita-tional-wave arrow of time）。

我们的宇宙中似乎存在许多黑洞。黑洞具有很强的时间不对称性。任何物质都能掉进黑洞，但出来的只会是霍金辐射。黑洞是个神奇的装置，它能把所有输入其中的物质转变为一团处于平衡态的光子气。这一不具备时间可逆性的过程制造了大量熵。

那白洞呢？白洞是人们假想中的天体，它们也是广义相对论的一类解，是黑洞的时间反演。白洞和黑洞的行为相反。白洞不吸收任何物体，任何物体都可能由白洞生出。白洞就像一颗自发产生的恒星。如果你有一段恒星坍缩成黑洞的短片，把它倒放，就是白洞产生恒星的过程。天文学家尚未发现白洞存在的一丝痕迹。

即使只考虑黑洞，你也会察觉出我们的宇宙有些怪异。从广义相对论公式出发，我们的宇宙完全可以在早期就充满了黑洞。然而，在早期宇宙中似乎一个黑洞都没有，我们所知的黑洞形成于大爆炸后的很长一段时间，它们源自大质量恒星的坍缩（见第11章）。

为什么宇宙中只有黑洞，没有白洞？为什么宇宙开始时没有充满黑洞？宇宙早期没有黑洞存在，似乎意味着还有一个“黑洞时间箭头”（black-hole arrow of time）。

宇宙的另一边是否存在一个时间倒着流的星系？没有证据支持这一点。在我们生活的宇宙中，从一个地方到一个地方，时间箭头完全可能相反。但很明显，我们并未发现这一点。这又是为什么呢？

以上诸多时间箭头都是关于我们这个宇宙的事实，需要我们去解释。任何时间箭头的解释，都要假设时间的本质。如果一个人认为时间由无时宇宙演生而来，另一个人相信时间是本质的、基础的，那么二人给的时间箭头解释肯定会有所差异。