黎明前的時間之謎

■ 陳壯叔

時間之謎并非古就有之，它是隨科學進步涌現而出的。根據現代物理（量子論和相對論），它們是沒有方向的，即沒有過去和將來之分。

那么，人的感知為什么會跟物理定律不一致呢？霍金把這一點歸于三個原因，或稱三種時間方向：一為宇宙學時間方向，二為熱力學時間方向，三為人的心理時間方向。

首先，從大爆炸創生宇宙，隨之產生空間膨脹。因此，宇宙學的時間方向和膨脹箭頭方向是一致的。

其次，熱力學第二定律說，熵（無序的量度）隨時間而增大。例如，有一盒黑、白小珠拼成的圖案（高度有序），你不時搖動，搖的時間越長，小球的排列越混亂（無序）。故無序隨著時間而增大，也即通過事物的過程，給出了時間的方向，分出過去和未來。

第三，在人們的心理上，感知到時間的流逝，故在時間方向上，他們能記得過去，只能猜想而不是記得將來。

熱力學和心理時間箭頭方向必是一致的，這對智慧生命（人）的存在是必需的。人類消耗糧食（能量的有序態），然后轉變成熱（能量的無序態），故人的生命過程決定二者時間箭頭的一致性。

那么，為何宇宙膨脹和熱力學的時間方向會一致呢？按霍金等人的近似計算，宇宙始于十分平和有序的狀態，就如現在觀測到的那樣，這二者顯示出清晰一致的時間箭頭；若宇宙始于成團成塊，處于完全的無序，那么無序不可能隨時間再增大，這樣，就不會有清晰的熱力學時間箭頭；若宇宙的無序在減小，那么熱力學和宇宙膨脹的時間箭頭應相反。可是后二種情況跟我們的觀測不符。霍金認為，這三者時間方向的一致性是必然的。

不過霍金的理論還是難以服眾，總體來說，他只是做了現象上的聯系。這個所謂時間（方向）之謎一直困惑著物理學家和哲學家。最近一些研究者說，時間奧秘涉及宇宙起源的情節，不過大多數研究者還是認同它跟熵的關系，即任何獨立于外來影響的系統，其無序隨著時間而增大。

遺憾的是，僅根據熱力學第二定律去解釋時間箭頭，不能破譯這個謎。的確，增大著的熵確定了時間方向，直到所有事物處于平衡態，即處于完全混亂。而宇宙的混亂狀態就像我們實際觀測到的那個模樣，并非處于它可能達到的程度（混亂）；換言之，宇宙的熵在過去是相當低，它有很大余地使熵增大。可是就在這里，人們要問，為何過去的熵是如此之低，尤其是當大爆炸開啟了宇宙時鐘之時，其熵為何是低的？

2010年2月，在圣地亞哥召開的先進科學美國人協會的年會上，理論物理學家卡羅爾說：“讓我們回到大爆炸，把問題帶到可觀測宇宙的起點上。”

約137億年前，大爆炸出于一個瞬間，空間就此一直膨脹著。根據這一膨脹來解釋我們日常生活中的時間流，這個方法始于半個世紀以前。當時，天文學家T.哥特是把熱力學的時間箭頭和大爆炸（引入膨脹）所定義的宇宙學時間箭頭聯系起來的第一人。哥特認為，膨脹空間使得熵走向增大，不論開始時其熵是低或高。即使開始時就高，膨脹也會使其走向更高，故宇宙時間一直向前（即將來）走著。

卡羅爾說，此解只是簡單地承認時間方向的存在，而未解釋其因。基本上，它只是把大爆炸定義為“過去”的一個點，而時間流從此處于單一方向。但是這一解釋使得在宇宙學方程中找到的二個時間方向無法保持對等性，故卡羅爾提出，要找到完美的答案，必須在時間上往回走得更遠，回到大爆炸之前！

卡羅爾在年會上說：“你總是聽宇宙學家說，大爆炸是時空的開始時刻，大爆炸之前不存在任何事物。我們不知道大爆炸之前發生過什么，但出現過某些事物卻是絕對可能的。”

事實上，今天許多宇宙學家已在認真地研究這種可能性，即大爆炸前可能發生過的各種事物。而大自然創生的我們這個宇宙只是大量各具時空特性的“泡沫”中的一個，只是它們包裹著永恒的外衣。這個復雜的多宇宙世界，包藏著無數的單個宇宙，各自誕生于其自身（嬰兒“泡沫”的形式）的大爆炸。嬰兒“泡沫”又跟臍狀的蟲洞嚴密相連，通向一個原始的虛空。

卡羅爾說，這個虛空可能是一個高熵區域。但是，虛無不能表達一種確切的描述。因為按量子物理的測不準原理，一個完全虛無的空間是不許可的。能量的起伏是不可避免的，在某個極少的機會上，這種起伏的能量大到足以爆出一個完整的時間“泡沫”，并進入存在——嬰兒宇宙。這個嬰兒宇宙可能膨脹到那種狀態，使人類物理學家“看”入其內，并能在其內部考察。

卡羅爾說：“往往一個能量起伏將使一小滴宇宙由于能量的作用而開始膨脹。能量在轉變成物質和輻射之前可能在那里待一個瞬間，而整個情景看上去就像我們的大爆炸。”

就是這樣，這個存在于大爆炸之前的高熵虛無時空，能一直增大其熵至更高，直至嬰兒宇宙的誕生。雖然嬰兒宇宙可能是低熵，而系統的總熵可能更高。從母空間脫離之后，低熵的嬰兒宇宙將膨脹，隨著它的膨脹，熱力學第二定律使得時間單一方向地奔走。最終，宇宙的熵將達到一個最大值。

最好的情形是發生雙向的時間。由于虛空能產生眾多的時空“泡沫”，任何一個“泡沫”皆具有單向的時間箭頭，這一“泡沫”是前向的，那另一個“泡沫”就會逆向，最終保持了時間的對稱。

任一“泡沫”的占有者，總是相信大爆炸在過去創生了他們的“泡沫”。而在一個處于所有一切之外的超級觀察者看來，事情十分清楚，時間處于雙方向的運動，就如物理定律一直以來所指出的那樣。

卡羅爾說：“要點是，整個事物，即整個宇宙世界相對與相間，是完全對稱的。”他提醒說，這一看法是猜測性的，嚴格的證據還有待于宇宙學家計算中的明顯進展。而這僅是調和無時間性的物理定律，跟有向性的時間箭頭之間的許多看法中的一種。例如，麻省理工學院的物理學家L.麥可恩指出，實際上熱力學第二定律允許時間的雙向性，但是任何發生在逆向（時間）中的事物不會留下任何痕跡和記錄，甚至記憶（若你炒蛋，而時間逆向運行，不僅蛋不會變成未炒之前，而且你大腦中的神經細胞將恢復到過去的狀態，清除你剛剛炒蛋的經歷）。故若時間按反方向流動，你是無論如何也感知不到這一點的。

即使麥可恩確認這一看法，但也無法解釋科學家所接受的開始時的熵為什么會如此之低。

還有一個更復雜的問題：解決時間之謎涉及熱力學第二定律，故還得考慮到它的有效性和正確性。

最近一個時期以來，有日益增多的學者懷疑熱力學第二定律的正確性。例如S.華爾弗茨在其所著《一種新的科學》一書中說，引證電腦模型可以證明熱力學第二定律是完全錯誤的；其他研究者，通過檢查不同狀態，尤其是在量子效應發生作用的情況下，也在熱力學第二定律中找出一些漏洞。意大利物理學家G.亞伯拉罕最近指出，“過去15年對熱力學第二定律提出了空前的挑戰，有50余篇論文發表在有關的文獻中”。

考慮到迄今有關時間（方向）之謎沒有一個令人信服的解釋，這也并不奇怪。物理學界歷經幾十年的努力，想要解釋幾個重大的問題，但都歸于失敗。

現在，我們只知道宇宙構成主要的東西是：物質、未知其特性的暗物質和同樣神秘的暗能量。我們同樣不了解的是，為何這三者構成5∶25∶70的密度比例？還有，大尺度范圍的定律（主要是引力）最終能否跟微觀世界中的量子定律相匹配？迄今，把引力跟量子物理結合起來的努力，從未取得完好的成功。

這些問題正在平靜下來。一些科學家認為，這正意味著21世紀將產生另一愛因斯坦級別的革命，而且正是有關時間特性的。一些人提出，解決時間方向之謎，就是需要這樣的革命。在這些人士中，有諾貝爾物理學獎得主安東尼·萊格特，他是伊利諾伊大學的物理學家。他在年會上說：“若我們取得了可與相對論或量子論相比的真正的大革命，那么在未來幾十年內，在物理學中，它將根本性地修正我們關于時間方向的思想。”