關于時間：四維空間探險（上）

有時，它如離弦之箭；有時，它像老牛拉破車；有時，它又好似蝸牛般爬行。我們惜時如金，我們又隨意拋撒，但我們總是希望更多地擁有它。對我們來說，時間是那樣自然，以至于很容易使人忘記。實際上，它是多么奇特，奇特得簡直令人震驚。

我們對時間了解得越多，就越是對它感到焦躁不安，就像一團亂麻，剪不斷，理還亂。為什么它只往一個方向流動？它是真實的存在，抑或只是我們想象中的幻覺？時間旅行有可能嗎？它是怎樣開始的？它會結束嗎？它能夠提供晦澀難懂的萬物至理嗎？ 時間為何物？ 時間是什么？正是這個問題，一直困擾著從古代哲學家到啟蒙運動以及之后的許多科學家。然而，歷經幾千年的思索和科學進步，人們對有關時間的屬性仍未達成共識。我們能夠認識時間卻不理解時間，甚至在調查時間的方法上，都還存在嚴重的分歧。

這也許是因為，對時間的深刻理解已經證明，我們的進步幾乎是多余的。比方說，在物理學中，牛頓的運動定律、愛因斯坦的廣義相對論和量子論都無須我們了解時間的屬性，就可以使它們起作用。即使鐘表匠，也無須理解時間。

但時間的確給了我們一些線索，讓我們知道應該把注意力集中在什么地方。因為一只時鐘必須有某種運動的部件來測量時間的流逝，這可能是一個棘輪裝置，一個振動的石英晶振片，或是一個來自放射性原子的粒子噴發(fā)——不管怎樣，必須有運動。

當某物運動時，它就有了改變。因此時鐘告訴我們，時間總是同變化有著某種形式的關聯。然而到目前為止，我們的認識僅此而已。從這點出發(fā)，關于時間的理解，人們被引向兩條完全不同的道路。

第一種意見認為，時間是宇宙中一種真實的基本屬性。就像空間或者質量一樣，它本身就存在，并提供了活動在其中發(fā)生的框架。艾薩克·牛頓就持這種觀點，認為必須把時間看成像家里的墻壁一樣實在。直到那時，你才能自信地測量一件物體的運動有多快。

愛因斯坦擺脫了這種刻板的概念。他的理論摒棄了時空存在于它們自身的概念，甚至認為“時間什么也不是，而是一種頑固而持久的幻覺”。然而，時空可能仍提供了一個有用的測量宇宙的參考系，或者就像物理學家布萊恩·格林在他的著作《宇宙的經緯》中所寫的那樣，“時空是一件值得重視的事”。

第二種觀點認為，變化是宇宙的基本屬性，時間從我們的心力中顯現出來，去組織我們周圍所能看見的變化著的世界。牛頓的主要對手哥特弗雷德·萊布尼茲十分認同這種解釋，認為時間是不真實的，只是我們頭腦中創(chuàng)造出來的。

因此，我們面臨一個難題：時間是真實的嗎？

物理學家和哲學家對這個問題仍爭得不可開交，不只是因為量子力學把這個問題搞得使人更加糊涂。主要原因之一是，這些答案可能把我們引向可以解釋所有粒子和自然之力的“萬物至理”。

另一個問題也顯得突出。如果說時間是真實的，那么，它來自哪里？直到最近，大多數物理學家還假設，當物質、能量和空間本身誕生的時候，時間就從宇宙大爆炸當中形成。因此，任何認為時間存在于大爆炸之前的觀點都被認為是不恰當的。然而現在，他們并不太確定?！拔覀儫o權宣稱，宇宙和時間就始于大爆炸，或者說，存在某種史前史?！迸了_迪納市加州理工學院的肖恩·卡羅爾說，“公開發(fā)表的言論中，持這兩種意見的人都很多，但就我自己而言，我還是贊同宇宙永遠持續(xù)的觀點?！?/p>

弦論已引導人們對這種觀點進行重新評價。在這些假設的對標準物理學的擴展中，現實由比我們熟悉的四維更多的維度組成。雖然我們不能直接感知其他那些領域，但它們卻提供了交替宇宙存在的地方。這些宇宙在一系列大爆炸時從彼此中萌芽，也就是說，我們的宇宙誕生于另一個宇宙。因此，在我們這個宇宙大爆炸之前，時間的確已經存在了，之前的宇宙甚至很可能給我們留下它們本身的線索。

2008年，卡羅爾及其同事指出，大爆炸輻射殘留物中的特性也許就是早期宇宙的特征。2012年，牛津大學的羅杰·彭羅斯和亞美尼亞耶烈萬州立大學的古扎德亞進一步研究指出，在這個宇宙微波背景中的圓形組合，就是一系列先前宇宙和大爆炸的證據?，F在，歐空局的或“普朗克”衛(wèi)星已經發(fā)布了最新的宇宙微波背景輻射圖，我們將有機會驗證這些觀點。

現在，我們無法避開這些問題的困擾，我們也無法想象某一天它會帶來怎樣極其深刻的答案。而今，我們不得不比任何時候都更加大膽地面對我們對于時間的無知。

為什么時間之箭有去無回？

向前走幾步，轉身再往回走，這沒問題?，F在，讓幾秒過去，然后調頭向后走幾秒。沒辦法？當然！我們完全清楚，時間不像空間，它只有一個方向——從過去流向未來，絕無拐點。

這一切聽起來好像不過是事物的自然順序而已，但如果你對自然觀察得夠仔細的話，就會發(fā)現事情并非如此。徹底研究物理定律，找不到這樣的時間之箭。比如，你可以利用牛頓的運動定律，算出過去的一個球從何處拋出，就像算出未來它將降落的地點一樣準確。而就粒子而言，無論過去還是未來，支配它們特性的規(guī)律和力是不變的?！罢嬲婀值氖?，在這個世界上，我們所知的物理學定律在時間上，不論向前還是向后無疑都應該可以起作用，”澳大利亞新南威爾士州悉尼大學的科學哲學家迪恩·里克萊斯說，“應該沒有一支時間之箭。”

如果時間之箭不在物理學定律之內，那它又來自哪里？一條重要線索從大量粒子的復雜交互作用中顯現出來。你所看見的一切，包括你自己，都是由眾多粒子組成的。這些粒子并不只是停留在周圍，它們在不停地四處移動并重新排列著。

肉眼可見的系統，比如說一坑水或一粒冰晶，物理學家都歸因于熵。熵體現了在不改變其總體外觀的情況下，你可以重新排列一個系統的方式的數量。一坑水可以由眾多的方式排列HO分子，使它成為較高的熵值系統；而一粒冰晶則必須以非常精確的方式排列，因為排列方式較少，所以它是低熵態(tài)。

就純統計學意義而言，高熵系統總是比低熵系統更多可能，因為有更多的方式去產生它們。這就是為什么如果給定的溫度高到足以讓分子四處移動，進入新的排列，你就會看見冰變成水，而絕不會看見一個水坑自然而然地結冰。的確，如果你在影片中看見這樣一個場景：在一個溫暖的日子，一個水坑突然結冰，你會推斷這部影片是在倒著播放——時間在往回移動。

即使熵增加只是統計學上的、非基本的現象，也足以豎起一根物理學的強大支柱：熱力學第二定律。根據第二定律，宇宙的熵絕不可能減少。你可能會想，時間之箭的密鑰就在這里——從低熵到高熵的穩(wěn)步發(fā)展，即我們所認為的從過去到未來的秘密通道。

要是事情就這么簡單，那該多好。不幸的是，第二定律實際上并不能解釋時間之箭，它只是說高熵態(tài)比低熵態(tài)更有可能。時間并不進入這個畫面，也就是說，從現在起5分鐘后的世界，有可能有較高的熵值，而5分鐘前的世界也該是如此。

那么，解釋時間之箭的唯一方法，就是假設宇宙是以極其少有的低熵態(tài)開始的。不然的話，時間早被卡住了，一切都會變得了無生氣，自然也不會有我們人類?！皶r間之箭依賴于這樣的事實，即宇宙是以非常奇異的狀態(tài)開始的?！狈▏R賽理論物理學中心的物理學家卡洛·洛利華說，“如果宇宙以任意狀態(tài)開始的話，就無法區(qū)分過去與未來了?！?/p>

事實上，觀察顯示，宇宙的確是以低熵態(tài)開始的，大爆炸留下的殘余物提供了宇宙初期的快照。它顯示，X2NiTtCcDWh12Pw//s6DxlzthnVoVhwuc56H6/MCk7I=在時間開始之初，物質和放射物非常平穩(wěn)地散布在整個空間。乍一看這有點像是高熵態(tài)——直到你把引力因素考慮進去。

引力老想把物質凝結成塊，因此，在一個引力主宰的系統中，黑洞便是最可能的一種狀態(tài)，所以，黑洞比平滑分布具有更高的熵，這種低熵平滑是絕對不可能的。那么，我們是怎樣變得如此幸運的？里格爾斯說：“如果我們能夠解釋低熵的過去，那么我們就幾乎破解了時間之箭的問題?！?/p>

宇宙學家對我們在早期宇宙所看到的這種平滑，的確有一個解釋。宇宙在開始之后的不到1秒內，經歷了一個短暫但卻戲劇性的膨脹爆炸，像膠皮拉伸的空間，消除了任何皺褶。

膨脹似乎解決了進退兩難的困境。然而仔細觀察，它不過是把這個問題又推了回來。膨脹為了以適當的方式發(fā)生，以便產生我們的宇宙（由膨脹驅動的場），顯然必須具有某些不太可能的特性。因此，一方面膨脹場揭示這種低熵宇宙之謎，另一方面膨脹場本身就具有低熵的特性。物理學家又是如何來解釋這個問題的呢？ 一種可能性是，膨脹不只發(fā)生一次。假定膨脹場始于一種無序的高熵態(tài)（更有可能的情景），以致其特征各不相同，低熵值膨脹產生了我們這個平穩(wěn)的宇宙。因此，在一個較大較高熵值的場中，我們的時間之箭就只是一個任意的光點。這個場的某些部分就會具有形成我們這種宇宙的適當條件，而這個場的其他部分則一成不變，或者形成別的宇宙。 事實上，膨脹場物理現象保證了從頭到尾總是有足夠多的遺留物來創(chuàng)造更多的宇宙，從而不可避免地導致無窮個多重宇宙。

目前，有幾個證據集中在多重宇宙上，引起許多宇宙學家的認真思考。在一個多重宇宙中，某些宇宙會有時間之箭，而更多的宇宙卻沒有。在有時間之箭的宇宙中發(fā)現我們這個宇宙的時間之箭，應該不足為怪，因為這是能夠產生生命的宇宙的唯一形式?！斑@就是我特別喜愛的情節(jié)，”加州技術學院的物理學家肖恩·卡羅說，“雖然還沒有徹底解決問題，但我希望很快就能真相大白。”

然而，即使多重宇宙能夠解釋時間之箭，仍有許多未解之謎。例如，第二定律是怎樣適應宇宙的量子特性的？量子系統似乎顯示出它們自身那種箭：它們總是由可能重合的狀態(tài)解釋，直到一種測量神秘地選擇一種獨特狀態(tài)——種仿佛不可逆轉的過程。（待續(xù)）