黎明前的时间之谜

■ 陈壮叔

时间之谜并非古就有之，它是随科学进步涌现而出的。根据现代物理（量子论和相对论），它们是没有方向的，即没有过去和将来之分。

那么，人的感知为什么会跟物理定律不一致呢？霍金把这一点归于三个原因，或称三种时间方向：一为宇宙学时间方向，二为热力学时间方向，三为人的心理时间方向。

首先，从大爆炸创生宇宙，随之产生空间膨胀。因此，宇宙学的时间方向和膨胀箭头方向是一致的。

其次，热力学第二定律说，熵（无序的量度）随时间而增大。例如，有一盒黑、白小珠拼成的图案（高度有序），你不时摇动，摇的时间越长，小球的排列越混乱（无序）。故无序随着时间而增大，也即通过事物的过程，给出了时间的方向，分出过去和未来。

第三，在人们的心理上，感知到时间的流逝，故在时间方向上，他们能记得过去，只能猜想而不是记得将来。

热力学和心理时间箭头方向必是一致的，这对智慧生命（人）的存在是必需的。人类消耗粮食（能量的有序态），然后转变成热（能量的无序态），故人的生命过程决定二者时间箭头的一致性。

那么，为何宇宙膨胀和热力学的时间方向会一致呢？按霍金等人的近似计算，宇宙始于十分平和有序的状态，就如现在观测到的那样，这二者显示出清晰一致的时间箭头；若宇宙始于成团成块，处于完全的无序，那么无序不可能随时间再增大，这样，就不会有清晰的热力学时间箭头；若宇宙的无序在减小，那么热力学和宇宙膨胀的时间箭头应相反。可是后二种情况跟我们的观测不符。霍金认为，这三者时间方向的一致性是必然的。

不过霍金的理论还是难以服众，总体来说，他只是做了现象上的联系。这个所谓时间（方向）之谜一直困惑着物理学家和哲学家。最近一些研究者说，时间奥秘涉及宇宙起源的情节，不过大多数研究者还是认同它跟熵的关系，即任何独立于外来影响的系统，其无序随着时间而增大。

遗憾的是，仅根据热力学第二定律去解释时间箭头，不能破译这个谜。的确，增大着的熵确定了时间方向，直到所有事物处于平衡态，即处于完全混乱。而宇宙的混乱状态就像我们实际观测到的那个模样，并非处于它可能达到的程度（混乱）；换言之，宇宙的熵在过去是相当低，它有很大余地使熵增大。可是就在这里，人们要问，为何过去的熵是如此之低，尤其是当大爆炸开启了宇宙时钟之时，其熵为何是低的？

2010年2月，在圣地亚哥召开的先进科学美国人协会的年会上，理论物理学家卡罗尔说：“让我们回到大爆炸，把问题带到可观测宇宙的起点上。”

约137亿年前，大爆炸出于一个瞬间，空间就此一直膨胀着。根据这一膨胀来解释我们日常生活中的时间流，这个方法始于半个世纪以前。当时，天文学家T.哥特是把热力学的时间箭头和大爆炸（引入膨胀）所定义的宇宙学时间箭头联系起来的第一人。哥特认为，膨胀空间使得熵走向增大，不论开始时其熵是低或高。即使开始时就高，膨胀也会使其走向更高，故宇宙时间一直向前（即将来）走着。

卡罗尔说，此解只是简单地承认时间方向的存在，而未解释其因。基本上，它只是把大爆炸定义为“过去”的一个点，而时间流从此处于单一方向。但是这一解释使得在宇宙学方程中找到的二个时间方向无法保持对等性，故卡罗尔提出，要找到完美的答案，必须在时间上往回走得更远，回到大爆炸之前！

卡罗尔在年会上说：“你总是听宇宙学家说，大爆炸是时空的开始时刻，大爆炸之前不存在任何事物。我们不知道大爆炸之前发生过什么，但出现过某些事物却是绝对可能的。”

事实上，今天许多宇宙学家已在认真地研究这种可能性，即大爆炸前可能发生过的各种事物。而大自然创生的我们这个宇宙只是大量各具时空特性的“泡沫”中的一个，只是它们包裹着永恒的外衣。这个复杂的多宇宙世界，包藏着无数的单个宇宙，各自诞生于其自身（婴儿“泡沫”的形式）的大爆炸。婴儿“泡沫”又跟脐状的虫洞严密相连，通向一个原始的虚空。

卡罗尔说，这个虚空可能是一个高熵区域。但是，虚无不能表达一种确切的描述。因为按量子物理的测不准原理，一个完全虚无的空间是不许可的。能量的起伏是不可避免的，在某个极少的机会上，这种起伏的能量大到足以爆出一个完整的时间“泡沫”，并进入存在——婴儿宇宙。这个婴儿宇宙可能膨胀到那种状态，使人类物理学家“看”入其内，并能在其内部考察。

卡罗尔说：“往往一个能量起伏将使一小滴宇宙由于能量的作用而开始膨胀。能量在转变成物质和辐射之前可能在那里待一个瞬间，而整个情景看上去就像我们的大爆炸。”

就是这样，这个存在于大爆炸之前的高熵虚无时空，能一直增大其熵至更高，直至婴儿宇宙的诞生。虽然婴儿宇宙可能是低熵，而系统的总熵可能更高。从母空间脱离之后，低熵的婴儿宇宙将膨胀，随着它的膨胀，热力学第二定律使得时间单一方向地奔走。最终，宇宙的熵将达到一个最大值。

最好的情形是发生双向的时间。由于虚空能产生众多的时空“泡沫”，任何一个“泡沫”皆具有单向的时间箭头，这一“泡沫”是前向的，那另一个“泡沫”就会逆向，最终保持了时间的对称。

任一“泡沫”的占有者，总是相信大爆炸在过去创生了他们的“泡沫”。而在一个处于所有一切之外的超级观察者看来，事情十分清楚，时间处于双方向的运动，就如物理定律一直以来所指出的那样。

卡罗尔说：“要点是，整个事物，即整个宇宙世界相对与相间，是完全对称的。”他提醒说，这一看法是猜测性的，严格的证据还有待于宇宙学家计算中的明显进展。而这仅是调和无时间性的物理定律，跟有向性的时间箭头之间的许多看法中的一种。例如，麻省理工学院的物理学家L.麦可恩指出，实际上热力学第二定律允许时间的双向性，但是任何发生在逆向（时间）中的事物不会留下任何痕迹和记录，甚至记忆（若你炒蛋，而时间逆向运行，不仅蛋不会变成未炒之前，而且你大脑中的神经细胞将恢复到过去的状态，清除你刚刚炒蛋的经历）。故若时间按反方向流动，你是无论如何也感知不到这一点的。

即使麦可恩确认这一看法，但也无法解释科学家所接受的开始时的熵为什么会如此之低。

还有一个更复杂的问题：解决时间之谜涉及热力学第二定律，故还得考虑到它的有效性和正确性。

最近一个时期以来，有日益增多的学者怀疑热力学第二定律的正确性。例如S.华尔弗茨在其所著《一种新的科学》一书中说，引证电脑模型可以证明热力学第二定律是完全错误的；其他研究者，通过检查不同状态，尤其是在量子效应发生作用的情况下，也在热力学第二定律中找出一些漏洞。意大利物理学家G.亚伯拉罕最近指出，“过去15年对热力学第二定律提出了空前的挑战，有50余篇论文发表在有关的文献中”。

考虑到迄今有关时间（方向）之谜没有一个令人信服的解释，这也并不奇怪。物理学界历经几十年的努力，想要解释几个重大的问题，但都归于失败。

现在，我们只知道宇宙构成主要的东西是：物质、未知其特性的暗物质和同样神秘的暗能量。我们同样不了解的是，为何这三者构成5∶25∶70的密度比例？还有，大尺度范围的定律（主要是引力）最终能否跟微观世界中的量子定律相匹配？迄今，把引力跟量子物理结合起来的努力，从未取得完好的成功。

这些问题正在平静下来。一些科学家认为，这正意味着21世纪将产生另一爱因斯坦级别的革命，而且正是有关时间特性的。一些人提出，解决时间方向之谜，就是需要这样的革命。在这些人士中，有诺贝尔物理学奖得主安东尼·莱格特，他是伊利诺伊大学的物理学家。他在年会上说：“若我们取得了可与相对论或量子论相比的真正的大革命，那么在未来几十年内，在物理学中，它将根本性地修正我们关于时间方向的思想。”