时间之箭之谜

一个人类有意识的存在，我们不断地意识到时间无情的行进。你可以把鸡蛋做成蛋卷，但你不能把蛋卷变回鸡蛋。掉落的玻璃破碎，无法重新组装。最重要的是，我们会衰老；青春一去不复返。

但这是一个伟大的科学神秘。在基本的微观水平下，性质规律的形式没有任何东西，区分一定时间。它们是时对称的。但是，我们周围的宏观物体的行为受到着名的热力学定律，根据哪种疾病（通过熵测量）总是随着时间的推移而增加。这会使时间或箭头放入现象。麦克斯韦和博尔兹曼在19世纪下半叶的古典研究假定了原子的存在，并在合理的法律的基础上显示，原子的不均匀分布总是具有被冲洗成状态的趋势均匀的温度分布。

这项最初的工作没有考虑重力。重力带来了许多困惑，因为它会引起“反热力学”行为：在它的影响下，均匀分布的物质倾向于分裂成团。到目前为止，没有人知道如何用熵类型的概念来描述这种行为。这更令人费解，因为爱因斯坦奇妙的引力理论——他的广义相对论——确实表明，黑洞形成时，它们确实具有热力学性质，并且拥有巨大的熵。没有人能够定义宇宙其他部分的引力熵。

最受欢迎的观点是由伟大的引力理论家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提出的，他试图根据引力场的不均匀程度来定义宇宙其余部分的引力熵。宇宙学观察表明，早期宇宙以异常均匀的状态开始，如果彭罗斯是对的，这对应着一个非常低的熵。从那时起，熵大大增加，尤其是通过黑洞的形成。但这反过来又提出了一个问题:考虑到时间对称定律和高熵状态比低熵状态的可能性大得多的事实，如何解释宇宙初始状态异常低的熵呢?

重力带来了许多困惑，因为它会引起“反热力学”行为。

今天科学家们普遍的假设很简单，就是，由于一些未知的，可能是量子力学的原因，宇宙就是以这种状态开始的。这就是“过去假说”。它援引了这样一个事实:所有标准的物理解释都包含了定律和初始条件:任何实验室实验的结果都是由定律和开始实验的条件决定的。过去的假设将这种传统的思维方式扩展到整个宇宙。它依赖于定律和初始条件。

但是，依靠一个无法解释的初始条件来解释宇宙中两个最显著的特征——我们周围的熵的增长和宇宙中结构的稳定增长——让彭罗斯和像我这样的人感到不满。科学家的动力是解释和理解现象的欲望。我们都想效仿查尔斯·达尔文(Charles Darwin)用四个词解释了这么多:自然选择的进化。就时间之箭而言，它确实是一个生死攸关的问题，因为我们从出生到死亡都在同一个方向前进。是什么让这个世界有了如此惊人的秩序?

我和我的合作者偶然发现了一种可能的解释，它仅依赖于法律。¹我们偶然来到它，可能会或可能不正确。然而，它具有表示至少一个时间对称的法律（重力）始终导致观察到的结构的单向生长。

我们的解释的基础在于我们可以建立的最简单的“玩具”模型:三个质量相等的粒子按照牛顿的万有引力定律相互作用。这三个粒子相对移动，在无限空间中追踪路径，就像三根无穷无尽、相互固定位置的意大利面条。每一组曲线都有不同于其他曲线的形状。如果我们的目标是模拟整个宇宙，在合理的限制下，几乎所有由粒子描述的路径三组都将是图中所示的那种，“一个宇宙的玩具模型”。

如图中箭头所示，我们看到一个粒子来自左下角，而另外两个粒子彼此环绕并来自右上角。当他们相遇时，会有一个复杂的互动，因此，如图所示，可能会出现合作伙伴的交换。然后，单个粒子飞到左上角，而新粒子对飞到右下角。也可能发生的情况是，没有交换合作伙伴。

在这两种情况下，关键的一点是，由于基本定律不区分时间的方向，箭头可以颠倒，故事在相反的方向上读起来同样好。如果一个人考虑完整的解决方案，那么管理这个过程的法律就无法让他确定故事的开始或结束。很难说时间是朝一个方向流动的，而不是朝相反的方向流动的。

然而，考虑图中的完整解决方案存在有趣的替代方案。让我们从似乎真实的开始。在任何瞬间，三个颗粒形成三角形。要说它有一个尺寸，我们需要一个统治者。但这将是额外的东西，我们希望通过三个粒子模拟宇宙，别的东西。这只是让我们具有三角形的形状，这由两个角度决定。由于形状连续变化，并且可以假设永远不会完全重复，然后如果我们被赋予所有三角形，我们可以在两个明确的订单中的一个中明确地将它们展开，每个三角形都与另一个的相反相反。

现在什么是时间的瞬间？我们的模型中没有时钟告诉他们。我们只有形状。因为它们都是不同的，可以排列成一行，所以我们称它们为瞬间。从远古时代起，月亮形状的变化就被用于测定年代。它仍然控制着伊斯兰历法以及基督教和犹太教的节日。将宇宙的形状视为瞬间，使其成为最终的月球。

这实际上是一个生死攸关的问题，因为我们从出生到死亡都朝着同一个方向前进。

在确定了形状的重要性之后，让我们从形状如何变化的角度来解释这个图形，从三个粒子强烈相互作用的中心区域开始。通常，这是一个非常不规则的区域，形状会相应地发生变化。它可能被比作“原始混沌”。让我们任意地称这个中心区域为时间的“开始”。

现在考虑图的对角线，箭头指向远离“原始混沌”的方向。向左向上的线代表单个粒子，向右向下的扭曲的“意大利面条”线代表一对更稳定地在轨道上运行的粒子。这一对作为定义时钟的周期过程。每一个连续的“滴答”发生时，两个粒子中的一个穿过连接粒子质心和第三个粒子的线。也就是当宇宙处于一条线上的三个粒子的特殊形状时。所以我们的玩具宇宙真的很像月亮。

但是现在让我们思考一下，在这个图中，是否有任何意义上可以确定时间的方向。我指出，在我们的宇宙中，两个相反的效应定义了相同的时间方向。无序（熵）在有限区域的增长，同时随着星系、恒星和行星系统的形成，宇宙在大尺度上的结构变得越来越丰富。我们的模型过于简单，无法模拟熵的增长，但它确实模拟了结构的增长。

实际上，人们可以将轨道对视为“星系”，其形成，因为它从“原始混沌”中出现的形成可以逐步逐步逐步。因此，如果我们限制关注所考演的对角线并定义由混乱的结构的增长，我们可以获得一个故事，在其最基本的功能，模型中的宇宙学家在宇宙中观察到的故事。这是一个宇宙的故事，整体形状以单向方式变化。

当然还有另一条对角线，从左下到右上的那条。如果我们把上面的箭头倒过来，再次把“原始混沌”作为时间的诞生，我们就会得到另一个“宇宙历史”，与第一个不同，但性质相同。我们在一个解决方案中有两个完全不同的历史!这都是由三个粒子完成的。由于本文给出的原因，如果粒子的数量任意增加，同样的事情也会发生。值得注意的是，总是有一个不规则的混沌运动区域——一个“原始混沌”——从中产生两条且只有两条有效独立的路径。请注意，这个模型最简单的版本有三个粒子，因为时钟不能被定义为只有两个粒子。

作为上帝般的理论家，我们可以从整体上看这个数字，看到它没有定义时间的总体方向。但是，在这个人物的宇宙中，任何观察者都必然处于我称之为历史的两个部分之一（两条对角线之一）。仅限于此，他们会观察到我们与时间相关的关键属性：过去、现在和未来的划分；测量时间的钟；以及定义时间之箭的结构的逐步增长。因此，他们将人物中心的“原始混沌”视为导致有序现在的过去。

应该说，重要的是每段历史的性质，而不是历史的重复。虽然添加粒子不会改变基本行为，但我们不能指望牛顿理论能够模拟爱因斯坦的广义相对论。然而，有趣的是，牛顿理论中有一些非常特殊的解，它们是爱因斯坦相对较好的模型。

在这些区域中，“原始混沌”不是一个不规则区域，而是一个所有粒子都位于完全相同的点上的区域，它们最初以相当均匀的分布出现，然后在稳定结构形成之前变得不规则。在这种情况下，只有一条对角线，在该对角线的中间，所有粒子都位于一个点上。这是现代宇宙学大爆炸的一个很有希望的模型。

我想说的一点是：模型的所有解都显示出结构在“混沌”中的单向增长。定律中非常基本的元素意味着增长不能逆转。我的合作者和我自己在论文中给出了根本原因。此外，如果像在宇宙学中一样，我们通过结构的增长来定义时间的方向，那么所有的解都会提供一个时间方向，即使它们是由一个本身并不区分时间方向的定律生成的。

三粒子玩具模型质疑了我们对因果关系的本能理解，根据这种理解，过去的事情导致了现在发生的事情。在图中，没有过去导致和解释任何现在。因果关系不是这样的。18、法律是唯一的原因，包括案件的特殊解决办法只有一个历史。所有遵循这一法则的解决方案都存在于永恒之中，就像风景中的小径或山脉中的山谷。将时间的因果关系解读为解决方案是错误的。路径简单。然而，它们可以从结构不那么严密的地区引导到结构更加严密的地区。该模型证明，在没有特殊初始条件的情况下，仅凭规律就可以解释时间箭头。

现在让我们回到我们自己的宇宙，它呈现出单向变化。在传统的年代学中，早期的宇宙比今天的宇宙要均匀得多。对笼罩宇宙的微波辐射的观察显示，温度和质量密度的随机波动只有大约万分之一。

以这种状态为初始条件，宇宙学家可以非常好地解释具有难以置信的丰富结构和巨大密度对比的现有宇宙是如何形成的。因此，很自然地说，微波背景存在于我们现在的宇宙之前，并通过一种因果机制产生了它。说现在的宇宙是微波背景造成的，这似乎非常奇怪。但是，归根结底，这是一个基于本能的结论，而不是硬事实，本能常常阻碍科学的进步。

这项工作只是一个开始。事实上，这一切都已经从三个粒子的相互作用中显现出来，这是由于牛顿引力定律的简单性和它所拥有的某些建筑结构。爱因斯坦的广义相对论也有它们，但它是一个更丰富的理论，因此我们还不能说，在这种情况下，单靠定律是否足以创造出一支没有特殊初始条件支撑的时间之箭。然而，如果它真的存在，那么大多数人，包括许多科学家，发现很难摆脱的直觉之一就是时间是真实的，并且确实在流动，这很可能是一种错觉。

朱利安·巴伯是一位独立的理论物理学家，他对时间的本质进行了大量的研究。自2008以来，他一直是牛津大学物理系客座教授。

引线图像(及细节):宇宙的诞生安托万·佩夫斯纳(Antoine pevner)， 1933年。©中航集团/ MNAM / Dist。rmn -大皇宫/艺术资源，纽约

未经纽约艺术家权利协会（ARS）明确书面许可，版权法和国际公约禁止复制，包括下载Antoine Pevsner作品。

脚注

这篇文章是基于一篇论文蒂姆·科斯洛夫斯基，弗拉维奥·莫卡蒂和我。读者也可以观看我的演讲，这里．感谢弗拉维奥利用他的身材。

本文最初发表于2014年1月的《时代》杂志。