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1、时间为什么会永远向前？假设有这么一天，你在家里感到无聊，你把几个鸡蛋顶在头上表演起杂耍，但你的表演不太成功，鸡蛋打碎糊了你一脸。现在你将不得不去洗下脸再冲个澡，然后换上一身新衣服。干嘛不把鸡蛋恢复回去，那样不是更快吗？打碎一个鸡蛋只需要几秒钟的时间，那为什么不把整个过程倒过来做一遍？你只要把蛋黄和蛋清都丢回去，然后把蛋壳重新合上不就好了？那样一来你就又重新拥有了一张干净的脸，干净的衣裳，你的头发里没有蛋黄，一切就像没有发生过一样。时间有向，你不能让已经破碎的鸡蛋重圆听上去觉得很荒唐？但是你说得清哪里荒唐吗？为什么我们不能“破蛋重圆”？实际上在自然界中并不存在基本的法则阻止我们让打碎的鸡蛋重新复
2、原。事实上，物理学家们认为在我们的日常生活中发生的任何事件都可以在任何时间反向发生。那为何我们却不能让破蛋重圆，让点燃的火柴恢复未点燃状态，或者让我们擦伤的膝盖倒回到没有擦伤的状态？既然没有基本法则禁止，那为何事情却没有倒转发生呢？未来究竟为何会与过去不同？这个问题听上去并不复杂，但要想回答它，我们必须回到宇宙诞生的时刻，进入原子的世界，前往物理学研究的最前沿去寻找答案。伊萨克牛顿的成就经典物理学的先驱，英国物理学家伊萨克牛顿正如许多与物理学有关的小故事一样，这个故事同样要从伊萨克牛顿说起。在 1666 年，由于一场黑死病的爆发让牛顿不得不暂时从就读的剑桥大学休学离开，并与他的母亲一起搬到了林
3、肯郡的乡下居住。在那里的生活几乎与世隔绝，非常枯燥，于是牛顿便让自己沉浸在了对物理学的研究之中。在这里他逐渐发展出了关于运动的三大定律，其中包括那条非常著名的论断，即每一种作用力都存在一个与之大小相等但方向相反的反作用力。他还设想了引力如何发生作用的一种解释。牛顿定律在描述现实世界方面异常成功。它可以解释为何苹果会从树上落向地面，以及为何地球会围绕太阳运行。但牛顿定律存在一个奇怪的问题：在它的体系下，如果把时间倒转过来也一样成立。这也就是说，根据牛顿的理论，如果鸡蛋可以被打破，那么理论上它也可以重圆。但实际经验告诉我们这很显然是错误的。但事实是，自从牛顿以来，几乎所有的物理学理论都存在着同样的
4、问题 物理学定律似乎根本就不在乎时间是向前流淌还是倒流回去，就像它不在乎你是左撇子还是右撇子一样。但我们在乎。根据我们的日常经验，时间是有前进方向箭头的，它永远指向未来。美国加州理工学院物理学家西恩卡罗尔（Sean Carroll）表示：“你可能会搞混东边和西边的方向，但你一定不会搞混昨天和明天。但奇怪的是，基本的物理学定律并不区分过去和未来。”路德维希玻尔兹曼的发现时间为什么会有方向？第一位认真思考这一问题的人是一名生活在 19 世纪晚期的奥地利物理学家路德维希玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）第一位认真思考这一问题的人是一名生活在 19 世纪晚期的奥地利物理学家路德维希玻尔兹曼（
5、Ludwig Boltzmann）。在他生活的年代，许多在今天的我们视为真理的观点在当时仍然还充满争议。尤其是，当时的物理学家们并不相信物质是由一种叫做“原子”的微小粒子组成的。许多物理学家指出，有关原子的理论无法进行检验。但玻尔兹曼坚信原子是真实存在的。于是他开始尝试基于这样的认识来解释生活中得到各种事物，如火焰为何会发光，我们的肺如何工作，以及为何对着一杯茶水吹气会让它冷却地快一些。他认为基于原子的观点，他可以理解所有这些事物的本质。有些物理学家对于玻尔兹曼的工作产生了深刻的印象，但大部分物理学家则对此嗤之以鼻。不久之后，玻尔兹曼便因为他不合正统的观点被物理学界驱逐出去了。玻尔兹曼因为自己
6、对于热的本质的研究而深陷漩涡中央。这听起来似乎与时间的本质并无联系，但玻尔兹曼即将证明，这两者之间是紧密关联的。在当时，物理学家们已经发展出一套称之为热力学的理论，其主要用于描述热的行为。比如说，热力学可以解释为何冰箱可以在炎热的夏季将食物保持在冷冻状态。玻尔兹曼的反对者们认为，热是不能以其他任何东西来解释的，因为热就是热，而不是别的什么东西。玻尔兹曼想要证明那些人都错了。他认为热的本质是原子的随机运动，并且热力学的所有内容都可以以此为基础得到解释。玻尔兹曼的这一观点在今天看来是完全正确的，然而在当时的环境下，他却不得不耗费自己的全部余生去试图说服其他人相信他的理论。玻尔兹曼首先尝试解释一种听
7、上去可能有些陌生的概念：熵。根据热力学定律，世界上的任何物体都有与之相联系的一定数量的熵存在，并且这个物体发生的任何变化都会导致它的熵值增加。比如说，如果你把一块冰块放进一杯水里让它慢慢融化，这个杯子里的熵值就增加了。熵值的增加与物理学中的任何其他事情都不同：它只会朝着一个方向发展，也就是熵的增加。但却没有人知道熵为何会如此。玻尔兹曼的墓志铭是他发现的关于熵的数学方程再一次的，玻尔兹曼的同行们开始宣传这样的论调，那就是根本不可能就熵值为何只能增加这一现象给出解释 它就是这样的，没有原因。同样再一次的，玻尔兹曼无法对这样的解释感到满意，他决定挖掘这个问题背后隐藏的更深层含义。这样做的结果是我们对
8、于熵的本质理解的一次巨大飞跃 这项发现如此意义非凡，以至于玻尔兹曼将它刻在了自己的墓碑上。热力学与熵的本质只有运用原子理论才能解释火焰的形成玻尔兹曼究竟发现了什么？他发现熵的本质是对原子排布方式的数量，以及它们所携带能量的度量。熵之所以会增加，是因为原子变得更加混乱了。根据玻尔兹曼的观点，这就是冰为何会在水里融化的原因。相比固体状态的冰，当水体处于液体状态时，水分子有多得多的排布方式，也有多得多的方式可以在分子间 传递热量。于是，便存在着太多的途径可以导致冰的融化，但只有相对较少的途径可以导致水的固结，也因此，冰最终消融的可能性是压倒性的。相似的，如果你将一滴奶油滴到你的咖啡里，这一滴奶油将会
9、扩散到整杯咖啡里，因为那样才是熵更高的状态 相比局限在一个小区域内，存在更多的排布方式可以让这一滴奶油的成分粒子扩散到整杯咖啡。在玻尔兹曼看来，熵是有关概率大小的概念。具有低熵的物体显得整洁（有序），因此难以存在。高熵物体显得混乱（无序），也因此更有可能存在。熵总是增加的，因为物体显得混乱要比显得整洁容易得多。这听上去有些令人沮丧，尤其如果你是一个喜欢将自己住的屋子收拾的干干净净的人的话。但玻尔兹曼关于熵的认识却的的确确有着一个正面的意义：它似乎可以解释时间箭头的存在。玻尔兹曼对于熵值为何永远增加的问题的探索，反过来为寻找我们问题的答案提供了启发：为什么我们永远体会到时间向前流逝？如果宇宙作为
10、一个整体从低熵状态逐渐向高熵状态演化，如果是那样，那么我们将永远无法目睹事物的反向发生。把一块冰块投入一杯水里，它当然会融化我们无法目睹破碎的鸡蛋恢复如初，这是因为存在着无数中排布这些鸡蛋碎片的方式，而其中几乎所有的排布方式最终的结果都是一个破碎的鸡蛋而不是一个完整的鸡蛋。相似的，融化的冰不会倒回去，点燃的火柴不会倒回去，你擦伤的膝盖也不会倒回去。玻尔兹曼对于熵的定义甚至还可以解释为何我们可以记得过去而不是未来。请想象一下相反的情况：假设你拥有对某一事件的记忆，然后这一事件发生，再然后你对于这一事件的记忆消失。从概率上讲，你的大脑发生这种情况的可能性非常非常低。根据玻尔兹曼的理论，未来之所以看
11、上去与过去不一样，仅仅是因为相比过去，未来的熵增加了。不过，他挑剔的反对者们从玻尔兹曼的理论中找出了一个推理上的“瑕疵”。“过去假设”与低熵宇宙时间是宇宙的内在属性吗？玻尔兹曼指出，随着我们逐渐向着未来滑去，熵将增加，这是如原子那样微小粒子行为概率学上导致的结果。然而这些微小粒子本身也是遵循基本物理学原理的，而那些基本物理学原理却并不区分过去和将来。于是玻尔兹曼的理论中便出现了一个棘手的悖论：如果你说朝未来发展，熵值将会增加，那么我也可以说，随着倒回过去，熵值将会增加。玻尔兹曼说，因为产生破碎 的鸡蛋要比产生一个完好的鸡蛋容易得多，因此有理由预期完好的鸡蛋将会变成破碎的鸡蛋。但这里同样存在另外
12、一种解释：完好的鸡蛋是难以出现的小概率事件， 那么鸡蛋应当在大部分的时间里处于破碎状态，只有在非常偶发的情况下才会呈现出完好的状态，但也应该只能持续很短的时间，随后就应该再次回到破碎的“常见状态”才对。事件一旦发生就不能倒回去简而言之，你可以运用玻尔兹曼有关熵的理论来证明：过去和未来应当看上去是相似的。但这并非我们的日常经验告诉我们的事实，于是我们又回到了最初的那个问题 为何时间会有方向？对此，玻尔兹曼考虑了几种解决的方式。其中效果最好的一种被称之为“过去假设”（past hypothesis）。这一理论非常简单：在遥远的过去的某一时刻，宇宙曾经处于低熵状态。如果这一假设成立，那么玻尔兹曼理论
13、框架中的“瑕疵”将不复存在。过去和未来看上去将会很不一样，因为过去的状态熵值要比未来的状态低得多。因此，鸡蛋一旦打破将无法恢复。这样的解决方式非常简洁有力，但却会引出一个全新的问题，那就是：你怎么知道所谓“过去假设”理论是正确的？既然低熵状态是难以出现的，那么为何在遥远的过去宇宙竟然会处于这样一种“难以出现”的状态？玻尔兹曼未能解决这个问题。玻尔兹曼本身是一名狂躁抑郁症患者，在自己的观点被主流物理学界多次拒绝之后，他确信自己毕生的工作都将会被人们所遗忘。1906 年在的里雅斯特附近的一次家庭度假期间，玻尔兹曼用上吊的方式结束了自己悲剧的一生。他的自杀尤其具有悲剧色彩，因为就在他死后不到 10
14、年时间里，物理学界开始认识并接受他有关原子的理论观点。另外，在接下来的数十年间，新的发现表明或许存在着一种方法，可以解释“过去假设”所设想的情形。宇宙大爆炸混乱的宇宙。一个拥有星系，恒星和行星的宇宙实际上比充斥着高温致密气体物质的原始宇宙具有更高的熵值在 20 世纪，我们对于宇宙的认识发生了彻底的改变，我们发现宇宙是有开端的。在玻尔兹曼的年代，大多数物理学家相信宇宙是永恒的 它一直是存在的，过去是，将来也是。但在 20 世纪 20 年代，天文学家们发现所有的星系都在远离我们而去。他们意识到，宇宙正在膨胀。这就意味着，在过去的某一时刻，宇宙曾经聚集在一起。在接下来的几十年间，物理学家们逐渐达成一
15、致意见，我们的宇宙是从一个极度高温致密的“点”开始的。这个“点”快速膨胀并冷却，形成了我们所知的一切事物。这一从微小的一个点开始发生的迅速膨胀过程被称为“大爆炸”。这似乎可以支持“过去假设”理论。卡罗尔表示：“人们会说，好吧，很显然早期宇宙是处于低熵状态的。但为何从一开始，在大约距今 140 亿年前的宇宙初期会处于低熵状态，这个问题我们目前还无法解答。”我们现在知道宇宙的年龄大约有 140 亿年平心而论，一次巨大的宇宙大爆炸事件听起来并不像是某种能够与低熵相联系起来的事物。毕竟，爆炸的规模是巨大的。在早期宇宙中存在许多不同的方式可以重新安 排物质和能量，使之仍旧能够保持高温，微小并处于膨胀状态
16、。但正如事实已经证明了的那样，在周围存在大量物质的情况下，熵可能会有所不同。请想象一个巨大的空旷空间，在它的中央位置时一团质量与太阳相当的气体云。引力将把气体物质聚集到一起，最终这些气体物质将逐渐形成团块并发生塌缩，新的恒 星诞生了。但如果熵是永远增加的，那么所有这些又怎么可能发生？因为很显然，气体物质处于稀疏和分散状态下的可能方式远多于聚集。量子力学与相对论的局限恒星和行星是从巨大的星云物质中经过塌缩冷凝而形成的关于这个问题的答案在于引力。引力会对熵产生影响，但物理学家们仍然不甚理解其具体的作用方式。对于一个具有足够大质量的物体，相比致密和均匀的状态，形成 团块是熵值更高的状态。因此一个拥有星系，恒星和行星的宇宙实际上比充斥着高温致密气体物质的原始宇宙具有更高的熵值。这就意味着我们遭遇到了一个新的问题 那个从大爆炸当中形成的，充斥着高温致密气体的宇宙是低熵的，因而应该是不太可能出现的。卡罗尔表示：“如果有一袋子宇宙
