時間之箭

苗千

時間的流逝是有方向的，這似乎不言自明，但是時間為什么要有方向，這就不大說得明白了。我們常說光陰似箭，但時間的流逝是否必須要有一個固定的方向？時間的本質(zhì)又是什么？這種疑問屬于哲學(xué)問題，還是物理學(xué)問題，或者純粹是人類的主觀感受呢？

愛因斯坦在他去世前不久發(fā)表的一次致辭中寫道：“對于我們有信仰的物理學(xué)家來說，過去，現(xiàn)在和未來之間的區(qū)別只是一種頑固不去的幻覺而已。”這句話揭示了時間在物理學(xué)中的意義。無論時間如何流逝，是從過去到未來，還是從未來到過去，物理學(xué)的基礎(chǔ)理論都不會改變。

時間究竟是什么，時間之箭從何而來？2016年6月27日，在加拿大滑鐵盧市的圓周理論物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics），一群物理學(xué)家和幾位哲學(xué)家聚在一起，在一個名為“宇宙學(xué)中的時間”（Time in Cosmology）的會議上討論在物理學(xué)意義上和哲學(xué)意義上時間的本質(zhì)。

會議主要討論了三個問題：過去，現(xiàn)在與未來究竟有什么區(qū)別？為什么時間看上去只是往一個方向流逝？時間的本質(zhì)究竟是基礎(chǔ)的（fundamental），還是衍生的（emergent）？時間之所以會成為一個問題，在于人們的感受與目前科學(xué)理論的描述有所不同。量子力學(xué)或是相對論都相對于時間對稱，但是人們在宏觀世界中所感受到的時間流向非常清晰，總是從過去到未來，時間從未倒流。

并非一切物理定律都相對于時間對稱。從19世紀(jì)初開始，人類在對熱機的研究中逐漸開始領(lǐng)悟，最終由奧地利物理學(xué)家路德維?！げ柶澛↙udwig Boltzmann）總結(jié)出熱力學(xué)第二定律，定律表述了熱力學(xué)過程的不可逆轉(zhuǎn)。一個孤立系統(tǒng)的混亂程度——即它的熵——總是會不斷增加，因此一切事物都總是沿著一個方向演進(jìn)，這也就決定了時間的流向，人們稱為時間之箭。

熱力學(xué)第二定律實際上是一條經(jīng)驗定律，人們利用系統(tǒng)的熵增加的方向與時間流逝的方向一致而彼此相互驗證，但這兩者也有可能是同一樣?xùn)|西。如果熱力學(xué)第二定律是建立在一系列更為基礎(chǔ)的關(guān)于時間對稱的法則之上，那么熵的演化方向可能是增加也可能是縮小——這顯然與人們的感受不符。

要使熱力學(xué)第二定律始終成立，并與時間之箭的方向保持一致，哥倫比亞大學(xué)的物理哲學(xué)家大衛(wèi)·阿爾伯特（David Albert）認(rèn)為，首先需要做出一個“過去假設(shè)”（past hypothesis）：假設(shè)在大約137億年前發(fā)生宇宙大爆炸時，爆炸產(chǎn)生出了一個最小熵狀態(tài)的宇宙。因此，整個宇宙的熵值沒有其他的選擇，只能一直增加，也就形成了宇宙最基本的規(guī)律之一。

過去假設(shè)或許可以解釋熱力學(xué)第二定律，乃至?xí)r間之箭的來源，但是這樣的假設(shè)難免會令人感到不安，把我們目前所不理解的一個問題歸結(jié)于137億年前，看上去不過是從一個問題轉(zhuǎn)移到了另外一個問題。另外，讓圓周理論物理研究所的理論物理學(xué)家李·思莫林（Lee Smolin）感到不解的是，如果說宇宙的熵值一直增大，那么為什么在宇宙誕生14億年之后，仍然還沒有達(dá)到最大熵值的熱平衡狀態(tài)？（這是宇宙最有可能達(dá)到的狀態(tài)）

要解決時間之箭的來由，是否一定需要過去假設(shè)？加拿大新不倫瑞克大學(xué)的理論物理學(xué)博士后蒂姆·科斯洛夫斯基（Tim Koslowski）提出了另外一種可能性，他把時間之箭的產(chǎn)生歸結(jié)于宇宙中無處不在的引力作用。他認(rèn)為，正是因為引力的存在，才使得宇宙中的物質(zhì)都傾向于集中在一起，這種聚合的趨勢增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度（熵值增大了），因此可能是因為引力的存在定義了時間之箭的方向。

科斯洛夫斯基早在2014年就與另外兩位物理學(xué)家在《物理評論快報》（PRL）雜志發(fā)表了論文《引力性時間箭頭的鑒定》（Identification of a Gravitational Arrow of Time）。在論文中，他最初只是設(shè)定了一個極其簡單的宇宙模型：其中只有1000個點狀的粒子，而粒子之間只受到牛頓引力的作用?？扑孤宸蛩够l(fā)現(xiàn)，在這個簡單的宇宙模型中，系統(tǒng)總會出現(xiàn)一個密度最大而復(fù)雜性最低的時刻。在這種情況下，系統(tǒng)無論發(fā)生怎樣的變化，它的復(fù)雜性（熵值）都會增加。此時對于系統(tǒng)內(nèi)的觀察者來說，系統(tǒng)復(fù)雜性更低的時候，就屬于“過去”，而系統(tǒng)復(fù)雜性更高的狀態(tài)則屬于“未來”，時間的箭頭由此就產(chǎn)生了。

對于這樣的一個宇宙模型來說，時間仍然是對稱的，但是在任何時刻，觀察者都會在其中發(fā)現(xiàn)一個時間箭頭（向前或者向后）——在這個宇宙模型中，時間之箭未必總是從過去到未來，也有可能反過來，人類只是恰好生活在其中的一種狀態(tài)中。而依據(jù)這個假說，人們就不再需要宇宙在最初時熵值最低的假設(shè)，因為這個條件完全可以從模型的演化過程中產(chǎn)生出來。

科斯洛夫斯基認(rèn)為，由引力作為產(chǎn)生出時間之箭的最根本的原因，還有另外一個意義：在引力的作用下物質(zhì)會聚合在一起，并且會產(chǎn)生出某種不容易隨時間改變的結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)可能存儲“信息”。人類研究歷史變遷所發(fā)掘的化石，正是這種通過引力作用下保存下來的關(guān)于過去的信息。在這個意義上，宇宙中的一切信息，都與引力作用有關(guān)，這也是人類之所以可以記得過去而不是記得未來的原因。

一群理論物理學(xué)家和哲學(xué)家在一起討論時間的本質(zhì)和時間箭頭的來源，難免給人一種坐而論道的感覺。盡管可以討論各種各樣或經(jīng)典或離奇的理論模型，卻都不大可能讓人們真正理解時間的本質(zhì)。但另一方面，這樣的討論對于普通人來說也并非是毫無意義——人們自出生起，就已經(jīng)習(xí)慣了對于時空的感覺，空間如同一個方方正正的盒子容納一切，時間則像是一條無聲無息、永無止境流淌的河流，我們頭腦的結(jié)構(gòu)不習(xí)慣去思考時間與空間真正的意義。盡管目前的科學(xué)水平或許還不足以讓我們理解時間的本質(zhì)，但是能夠從日常思維的慣性中跳脫出來，也是一種樂趣。而人類下一次對于自然界的認(rèn)識取得突破的契機，或許也正在這種清談之中。

（本文寫作參考了《Quanta Magazine》的報道）