为什么时间无法回头？ 时间之箭的起点在哪里？
时间:2016-11-25 12:50:33 来源:天文物理
原标题：为什么时间无法回头？ 时间之箭的起点在哪里？
时间，是永恒的话题。古往今来，人们从未停止对时间的探索。时间是什么？时间究竟是真实存在的，还是我们的错觉？时间的起点在哪里，又将以怎样的方式结束？…只有科学的发展才能告诉我们真正的答案。
时间是什么？从古代的哲学家到近现代的科学家，都在苦苦思索这个问题。然而，经过数千年的思考和科学进步之后，人们对于它的本质仍没有达成共识。时间不可避免地和运动联系在一起。从这一点出发，人们得到两种完全相反的时间观。
第一种观点认为，时间就像空间和质量一样，是宇宙真实存在的一种基本特性，它为事件的发生提供了框架。牛顿正是持这一观点的。他认为，在量化运动时，必须把时间纳入其中，只有这样才能准确地测量物体运动得有多远、多快。而爱因斯坦证明了时间流逝的速度取决于观测者的速度和作用于它们的引力的强度，摒弃了空间和时间各自独立存在的观点。他将两者视为一体，称之为时空，并进一步提出“时间只不过是一种顽固而持续的错觉”。不过，物理学家认为时空可以为测量宇宙提供一个有用的参考，因此是有意义的事物。
第二种观点认为，运动是宇宙的基本特性，而时间源自于我们描述这些运动的心智活动。牛顿的主要竞争者莱布尼茨青睐这一解释——时间不是真实存在的，而是在我们的大脑中被创造出来的。那么，时间是真实的吗？物理学家和哲学家仍争论不休。
另一个困扰我们的问题是，如果时间是真实存在的，那么它的起点在哪里？一直以来，绝大多数物理学家都假设时间创生自宇宙大爆炸。任何有关时间存在于大爆炸之前的观点都被认为是不恰当的。然而，现在他们却没有这么肯定了。导致这一重新思考的是弦理论。根据这一理论，我们的宇宙诞生自另一个宇宙，因此时间在我们的宇宙大爆炸之前就业已存在，而之前的宇宙甚至可能在我们的宇宙中留下一些印迹。
2008年，美国加州理工学院的肖恩·卡罗尔及其同事提出，在大爆炸的辐射残余中存在的特征可能是更早期宇宙的信号。2010年，英国牛津大学的罗杰·彭罗斯和亚美尼亚埃里温国立大学的瓦赫·古扎德亚进一步指出，微波背景辐射中的圆形特征是存在一系列早期的宇宙和大爆炸的证据。欧洲空间局的“普朗克”卫星正在对宇宙微波背景辐射进行深入探测，科学家将通过它获得的数据来检验这些想法。在答案最终出现之前，我们将不得不面对我们对时间起点的无知。
那么：为什么时间一去不回头？
和空间不一样，时间只有一个方向——从过去流向未来，从不回头。那么，时间之箭的起点在哪里？一条重要的线索来自大量粒子的复杂相互作用。对于任何宏观的系统，例如一池水或者一块冰晶，物理学家都可以用熵进行描述。熵反映出可以用多少种方式重组一个系统中的组成粒子，而不改变其整体外观。一池水中的水分子可以有许许多多种排列方式，这使得它成为一个高熵系统。而冰晶必须以非常 的方式排列，重组的方式较少，因此其熵较低。
单从统计学来看，由于有更多的方式来构成，高熵系统出现的可能性总是较低熵系统更高。由此催生出物理学的强有力支柱：热力学第二定律。根据这一定律，宇宙的熵永远不会下降。你可能会想，这其中蕴藏着时间之箭的关键——从低熵到高熵的持续变化，正是我们所感觉到的从过去到未来的流逝。不幸的是，热力学第二定律并没有真正解决时间之箭的问题。它只是说，高熵态比低熵态更可能出现，并没有说5分钟后世界的熵一定会比5分钟前更高。
因此，解释时间之箭的 途径就是假设宇宙恰好始于一个极端小概率的低熵状态。如果不是这样，时间就会变被冻住，任何有意思的事情（例如我们）都不会发生。
事实上，观测证明宇宙确实始于低熵状态。宇宙大爆炸所遗留下的辐射为婴儿期宇宙提供了一张快照。它显示，在时间开始后不久，物质和辐射极其均匀地分布在整个宇宙中。乍一眼看去，这像是一个高熵系统，但是把引力纳入其中，就能发现事实并非如此。引力总是使得物质聚集到一起，因此在一个由引力支配的系统中，黑洞是一个更可能出现的状态，而且相对于均匀分布的状态，高熵态更容易出现。
既然均匀的低熵态是极端不可能出现的，那么我们是如何得到这份幸运的呢？宇宙学家这样解释：在时间开始之后的瞬间，宇宙经历了一个短暂却剧烈的膨胀期，这一被称为“暴胀”的阶段像拉扯橡皮膜一样拉伸空间，抹平了任何的不均匀性。然而，问题又出现了。被称为“暴胀场”的场驱动暴胀以正确的方式处理我们的宇宙，但它自己也是低熵的。这又如何解释呢？
一种可能是暴胀不止发生了一次。例如，暴胀场开始自一个混沌的高熵态——这种情况的可能性很大——以至于它会随着地点的不同而变化。产生我们均匀宇宙以及时间之箭的低熵暴胀，只不过是一个更大的高熵场触发的随机现象。这个场的一些部分具有诞生出类似我们的宇宙的合适条件，其他的则不适宜生命存在或者形成其他的宇宙。
事实上，对暴胀场的物理学研究证实，它会创生出更多的宇宙，并不可避免地导致无限的多重宇宙。至此，多股线索汇集到多重宇宙上，许多宇宙学家开始认真地对待这个想法。在多重宇宙中，一些宇宙具有时间之箭，而更多的则没有。前者是 一类可以形成生命的宇宙，而我们就出现在这类宇宙中。
尽管多重宇宙能解释时间之箭，许多谜题依然存在。例如，热力学第二定律如何与宇宙的量子特性相容？为什么人类的大脑只知晓过去而不是未来？将来，物理学家很有希望揭开这些关于时间的谜团——当然，前提是时间确实存在。
投稿:chuanbeiol@163.com
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