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物理学家在时间上遇到了问题。
无论是通过牛顿的万有引力、麦克斯韦的电动力学、爱因斯坦的狭义和广义相对论还是量子力学，所有最能描述我们宇宙的方程，如果时间向前或向后流动，都能完美地工作。
当然，我们体验到的世界完全不同。宇宙正在膨胀，而不是收缩。恒星发射光而不是吸收光，放射性原子衰变而不是重新组合。煎蛋卷不会变回完整的鸡蛋，香烟也永远不会从烟雾和灰烬中重新结合。我们记得过去，而不是未来，我们变老衰弱，而不是年轻和恢复活力。对我们来说，时间有一个清晰且不可逆转的方向。它像导弹一样向前飞逝，管它方程怎么说。
一个多世纪以来，对于“时间之箭”的标准解释（天体物理学家亚瑟·爱丁顿于 1927 年首次提出这个术语）一直是热力学的一种涌现性质，正如 19 世纪奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼的著作中首次阐述的那样。在这种观点中，我们感知为时间之箭的实际上只是高度有序状态不可避免地重新排列成随机、无用的配置，这是所有事物都倾向于相互达到平衡的普遍趋势的产物。
非正式地说，这个想法的关键是“事物会分崩离析”，但更正式地说，这是热力学第二定律的结果，玻尔兹曼帮助设计了该定律。该定律指出，在任何封闭系统（如宇宙本身）中，熵——无序度——只能增加。熵的增加是宇宙的必然，因为对于任何给定的系统，无序状态总是比有序状态多得多，类似于将纸张散落在桌子上比将它们整齐地堆成一堆的方式要多得多。
热力学时间之箭表明，我们可观测的宇宙开始于一个异常特殊的、高度有序和低熵的状态，就像一个原始的宇宙蛋在时间开始时显现出来，永远被打破和打乱一样。从玻尔兹曼时代开始，对这种完美无瑕的起源概念过敏的科学家们一直在努力解决这个难题。
玻尔兹曼相信宇宙根据牛顿定律是永恒的，他认为永恒可以解释时间之箭的低熵起源。如果有足够的时间——实际上是无限的时间——任何可能发生的事情都会发生，包括从一个永恒的、高熵宇宙中，以统计涨落的形式涌现出一个非常低熵的大区域，该宇宙处于接近平衡的状态。玻尔兹曼推测，我们可能就生活在这样一个不大可能的区域中，时间之箭是由该区域缓慢而漫长的熵滑回到平衡状态所设定的。
今天的宇宙学家面临着更艰巨的任务，因为我们现在所知的宇宙并非永恒不变：他们必须在一个动态的、相对论的宇宙中解释时间之箭的出现，这个宇宙显然始于大约 140 亿年前的宇宙大爆炸的猛烈爆发。通常，解释涉及“微调”——对理论参数进行仔细和任意的调整，以符合观测结果。
许多现代对低熵时间之箭的解释都涉及一种称为暴胀的理论——这种观点认为，一种奇怪的反重力爆发将原始宇宙膨胀到天文数字般的大小，将其平滑化，使其对应于一个非常低熵的状态，随后的宇宙结构可以从中涌现。但是，解释暴胀本身似乎需要更多的微调。问题之一是，一旦开始，暴胀往往会无法阻止地持续下去。这种“永恒暴胀”会产生无数个婴儿宇宙，关于这些宇宙的预测和观测充其量是难以捉摸的。这到底是理论中不受欢迎的缺陷还是美妙的特征，这是一个激烈的争论问题；目前看来，暴胀的极端灵活性和解释力既是它最大的优势，也是它最大的弱点。
由于所有这些原因，一些寻求时间之箭的低熵起源的科学家发现依赖暴胀的解释略有不足。“现在有许多研究人员试图以某种自然的方式表明，期望宇宙的初始熵非常低是合理的，”哥伦比亚大学的哲学家和物理学家大卫·阿尔伯特说。“甚至有些人认为，宇宙开始时的低熵应该仅仅作为物理学的新定律添加进去。”
后一种想法相当于绝望的宇宙学家只是举手投降。幸运的是，可能还有另一种方法。
牛津大学的朱利安·巴伯、新不伦瑞克大学的蒂姆·科斯洛夫斯基和圆周理论物理研究所的弗拉维奥·梅尔卡蒂的初步新工作表明，时间之箭可能根本不需要经过微调的低熵初始状态，而是基本物理定律的必然产物。巴伯和他的同事认为，是引力，而不是热力学，拉开了弓弦，让时间之箭飞逝。他们的研究结果于 10 月发表在《物理评论快报》上。
该团队的结论来自对我们宇宙的一个极其简单的替代物的研究，这是一个在牛顿引力影响下相互作用的 1000 个点状粒子的计算机模拟。他们使用衡量系统“复杂性”的指标来研究系统的动态行为，该指标对应于系统最接近的一对粒子之间的距离与最分散的粒子对之间的距离之比。当所有粒子聚集在一个密集堆积的云中时，系统的复杂性最低，这是一种最小尺寸和最大均匀性的状态，大致类似于宇宙大爆炸。该团队的分析表明，基本上每个粒子配置，无论其数量和规模如何，都会演变成这种低复杂性状态。因此，引力的巨大力量为系统的膨胀和时间之箭的起源奠定了基础，所有这些都无需任何精细的微调来首先建立低熵初始条件。
从那个低复杂性状态开始，粒子系统然后在两个时间方向上向外膨胀，产生两个不同的、对称的和相反的时间之箭。沿着两条时间路径中的每一条，引力然后将粒子拉入更大、更有序和更复杂的结构中——模型的等效物是星系团、恒星和行星系统。从那里，标准的熱力学时间进程可以在两条不同的路径中的每一条上显现和展开。换句话说，该模型有一个过去，但有两个未来。正如时间无关的物理定律所暗示的那样，时间之箭可能在某种意义上向两个方向移动，尽管任何观察者只能看到和体验到一个方向。“引力的本质是将宇宙从其原始混沌中拉出来，创造结构、秩序和复杂性，”梅尔卡蒂说。“所有解都分为两个时期，这两个时期在两个时间方向上永远持续下去，由这个具有非常特征性质的中心状态分隔开。”
尽管该模型很粗糙，并且没有结合量子力学或广义相对论，但其潜在的含义是巨大的。如果它对我们实际的宇宙成立，那么宇宙大爆炸可能不再被视为宇宙的开端，而仅仅是实际上永恒和无限宇宙中的一个阶段。更平淡地说，双分支的时间之箭将给对面侧的观察者带来奇怪的不协调。“这种双未来情况将在两个方向上都表现出单一的、混乱的过去，这意味着基本上会有两个宇宙，一个在这个中心状态的每一侧，”巴伯说。“如果它们足够复杂，双方都可以维持观察者，这些观察者会感知到时间朝相反的方向流动。那里的任何智能生物都会将他们的时间之箭定义为远离这个中心状态。他们会认为我们现在生活在他们最深的过去。”
更重要的是，巴伯说，如果引力确实被证明是时间之箭的基础，这可能迟早会产生可检验的预测，并可能导致对我们可观测宇宙的历史和结构做出比暴胀更少“特设”的解释。
这不是时间之箭的第一个严格的双未来解决方案。最值得注意的是，加州理工学院的宇宙学家肖恩·卡罗尔和一位研究生詹妮弗·陈在 2004 年提出了他们自己的分支模型，该模型试图在宇宙暴胀和婴儿宇宙的创造的背景下解释时间之箭的低熵起源。他们将时间之箭在他们模型中的出现归因于熵在过去非常低，而不是熵在两个未来都高得多，这是由暴胀驱动的婴儿宇宙的创造增加的。
十年后，卡罗尔仍然像以前一样看好仅仅增加熵是时间之箭的来源的前景，而不是其他诸如引力之类的影响。“宇宙中发生的一切区分过去和未来的事情最终都是因为熵在一个方向上较低，而在另一个方向上较高，”卡罗尔说。“巴伯、科斯洛夫斯基和梅尔卡蒂的这篇论文很好，因为他们卷起袖子，对他们特定的通过引力相互作用的粒子模型进行了计算，但我认为有趣的不是这个模型——而是对模型的行为进行了仔细分析……。我认为基本上任何时候你有一个有限的粒子集合在一个非常大的空间中，你都会得到他们描述的这种通用行为。真正的问题是，我们的宇宙是这样的吗？这是困难的部分。”
卡罗尔现在正与麻省理工学院的宇宙学家艾伦·古思合作，后者是暴胀理论的先驱，对引力时间之箭的新主张做出某种热力学回应：另一个极其简单的基于粒子的模型宇宙，它也自然而然地产生了时间之箭，但没有添加引力或任何其他力。他们说，该模型成功的热力学秘密在于假设宇宙具有无限的熵容量。
“如果我们假设宇宙没有最大可能的熵，那么任何状态都可能是一个低熵状态，”古思说。“这听起来可能很愚蠢，但我认为它确实有效，而且我也认为这是巴伯等人构建的秘密。如果熵可以变得多大没有限制，那么你可以从任何地方开始，并且从那个起点，你会期望熵随着系统移动到探索越来越大的相空间区域而上升。永恒暴胀是在其中调用这个想法的自然背景，因为它看起来在永恒暴胀的宇宙中，最大可能的熵是无限的。”
自 19 世纪玻尔兹曼的思想和 20 世纪爱丁顿的观念以来，关于时间之箭的争论已经走了很远，但在许多方面，巴伯说，这场辩论的核心仍然是恰如其分地永恒的。“这正在开辟一种全新的方式来思考一个基本问题，即时间之箭的本质和热力学第二定律的起源，”巴伯说。“但实际上我们只是在研究牛顿引力的一个新方面，这个方面以前没有被注意到。谁知道通过进一步的工作和阐述会产生什么呢？”
“亚瑟·爱丁顿创造了‘时间之箭’这个术语，并著名地说，物质和能量的洗牌是自然界唯一无法撤销的事情，”巴伯补充道。“而我们在这里，真正毫无疑问地表明，这实际上正是引力所做的。它使看起来非常无序的系统变得非常有序。而这正是我们宇宙中发生的事情。我们正在实现古希腊人从混沌中产生秩序的梦想。”