物理学家经常将我们居住的宇宙结构描述为四维时空，它由三个空间维度和一个时间维度组成。然而，虽然我们可以随意地在空间中向任何方向穿梭（在重力和固体障碍物允许的情况下），但时间却推动着我们，无论我们是否愿意，都朝着一个预定的方向前进：走向未来。
这就是时间之箭——生命将我们从过去带到当下，再到未来。《回到未来》的情节虽然引人入胜，但没有人知道如何逆转时间之箭——如何及时倒流——而且从过去旅行可能导致的逻辑悖论，充其量也使其成为一个棘手的问题。（由于狭义相对论的一个名为时间膨胀的预测，前往遥远的未来相对容易：只需移动得非常非常快。）
在他 2010 年出版的著作《从永恒到此地》中，加州理工学院的理论物理学家肖恩·M·卡罗尔着手解释为什么时间会坚定不移地朝着一个方向前进。卡罗尔认为，有必要将三个看似无关的概念结合起来：时间、熵和宇宙学。
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熵，粗略地说，是衡量系统无序程度的指标，它会随着时间的推移而增加，正如热力学第二定律所规定的那样。为了说明熵的不可阻挡的增长，卡罗尔将我们带到早餐桌旁——他指出，你无法将鸡蛋恢复原状，也无法将牛奶从咖啡中分离出来。这些系统总是不可避免地走向无序或高熵的排列。这些例子都表明，熵的持续增长如何使世界充满不可逆转的过程，这些过程将过去与未来区分开来：制作煎蛋卷和将牛奶混合到一杯咖啡中都是仅在一个时间方向上起作用的事件。
但是，为什么熵总是会增加呢？这就是卡罗尔转向宇宙学的地方，宇宙学必须解释在炽热、稠密的大爆炸中发生了什么，甚至在宇宙开始之前发生了什么。
我们与这位物理学家谈论了他的书以及向广大读者介绍前沿物理学的挑战。卡罗尔认为，现在是成为理论物理学家特别令人兴奋的时代。宇宙学领域涌现出大量新数据，粒子加速器和其他地方正在进行新的实验。
时间有什么有趣的？对于一个天真的观察者来说，时间只是流逝的东西，我们对此无能为力；它是永恒不变的。
有两件事启发了我写这本书。一件事情是时间是我们所有人都熟悉的东西。我们都在使用它——我们阅读手表没有任何问题。但是，当你像一个优秀的科学家或哲学家一样，试图理解它时，这个谜题就出现了：基本的物理定律将过去和未来视为完全相同，而世界却并非如此。存在很大的差异——过去已经发生，而未来仍然充满变数。因此，如果能知道如何调和这一点就好了。这就是时间之箭问题，至少已经被思考了数百年。
我认为这是一个重要且有趣的问题，它与任何其他问题一样值得书写。但我认为，有些东西使这个问题有点特别，那就是过去与未来不同的答案，无论最终结果如何，都不仅仅是关于你我和我正在谈话时，在我们日常生活中时间流逝时这里发生的事情。它与整个宇宙息息相关——与大爆炸中发生的事情，与宇宙开始时的特殊条件有关。
要充分理解我们日常生活中发生的事情，就需要考虑到大爆炸中发生的事情。这不仅本身就很有趣，而且想想也很酷，而且这是一个没有受到工作科学家太多关注的谜团；它有点被低估了。我们离知道最终答案还很远，以至于我们有点不考虑它。因此，我想引起人们对时间之箭和宇宙学之间联系的关注，既针对普通读者，也针对我的科学朋友。我认为这是我们现代科学面临的基本难题之一，我们真的应该牢记这一点。
作为一名普通读者，我很欣赏各章节的引言，它们分别来自《安妮·霍尔》、弗拉基米尔·纳博科夫、《阿呆与阿瓜》。要尽力使这本书通俗易懂且引人入胜，这有多大的挑战？
我尽了最大的努力，我认为我在某些方面比其他方面更成功。很多材料与我研究的内容并不完全一致，所以我不得不学习很多东西，并思考一段时间以来我隐约意识到的事情。我实际上认为，我更擅长使那些部分生动有趣且通俗易懂，而不是我最了解的部分。因为我知道我必须坐下来非常非常认真地思考它；我不能只是给出我的传统说辞。
好消息是，除了少数关于量子力学和多元宇宙的事情外，大多数基本思想都非常容易理解。它们并非极其抽象；我们不是在更高的维度中工作或做任何类似的事情。你可以看到我们正在谈论的基本思想在日常生活中是如何运作的。
我坚信科学是更大的文化事物的一部分。科学并非孤立存在。因此，我绝对想给人一种感觉，即当我们思考宇宙、空间和时间、经验和记忆以及自由意志，以及我在书中谈到的所有这些事情时，这就是科学，以及我们的日常生活，以及我们所处的文化，那么为什么不找点乐子并将它们结合起来呢？
回到科学上来，熵的概念是如何与时间之箭交织在一起的？
我认为人们可能听说过“熵”这个词。熵是增加的；这就是热力学第二定律。有一个著名的——至少在科学家中很著名的——与[英国小说家和物理学家] C. P. 斯诺有关的事件，他试图说服人们，他们不仅应该精通文学，还应该精通科学。斯诺选择的每个人都应该知道的一个例子是热力学第二定律，即熵增加的定律。
星暴：这张艺术家概念图展示了宇宙在其第一批恒星诞生后的景象。图片来源：NASA/JPL-Caltech 和 R. Hurt SSC
这是真的，我相信这是一个很好的例子，但我认为实际上被低估的是，关于时间之箭的一切——我们认为的“时间如何运作”，即过去已成定局，而未来仍然可以改变——都是因为熵。你可以记住昨天，但不能记住明天，这是因为熵。你总是生来年轻，然后变老，而不是像《本杰明·巴顿》那样倒过来——这一切都是因为熵。因此，我认为熵作为在我们生活中起着至关重要作用的东西而被低估了。
在书中，你有一个坦诚的时刻，你谈到了一位资深的、匿名的物理学家，他对你关于时间和第二定律的理论提出了一些抱怨。
他的反对意见是关于宇宙学与此相关的想法。
以下说法非常正确：要理解热力学第二定律，或时间之箭在我们日常生活中的运作方式，我们永远不需要谈论宇宙学。如果你拿起一本统计力学教科书，里面根本不会谈论宇宙学。因此，如果说我们需要理解大爆炸才能使用热力学第二定律，才能知道它是如何运作的，那是不正确的。问题是：要理解它为什么会存在，就需要了解宇宙学以及大爆炸中发生了什么。
一旦你假设宇宙出于某种原因具有低熵，那么一切都会随之而来，而这正是我们在教科书中谈论的所有内容。但我们的目标比这更雄心勃勃。我们想理解为什么会这样——为什么昨天的熵比今天的低？
要理解为什么昨天的熵较低，确实需要宇宙学。如果你坐下来仔细思考，毫无疑问这是真的，尽管很多人还不完全接受它。
如果你采取这种方法并从宇宙学的角度看待时间，那么过去的这种低熵状态是什么样的？它看起来像什么？
我们并没有通过观察来了解早期宇宙的任何信息。我们已经知道早期宇宙是什么样的了。它是平滑的；它正在迅速膨胀；它处于一种稠密、炽热的状态；并且其中有很多物质。现在，这恰好是宇宙可能处于的非常低的熵配置，而这才是谜题。因此，我们不是在了解早期宇宙是什么样的，因为我们已经知道了——而是试图解释它，试图提出一个理论，无论是暴胀还是循环宇宙还是大反弹，除非你解释了为什么它具有低熵，否则你还没有成功地解释早期宇宙。我只是认为，大量的当代宇宙学理论都未能满足这一要求；他们以某种方式回避了这个问题，而不是正面解决它。
这些不同的理论是否会根据我们对时间和熵的理解做出我们可以检验的预测？
尚未。我们希望它们会。我只能说我希望它们会。我在本书的后记中谈到了这一点。
一方面，如果这些想法与观察到的事物没有联系，那么谈论它们就没有用处。但这与说因为我们现在无法将它们与可观察的预测联系起来，所以谈论它们就没有用处，这不同。这是更大图景的一部分——我们必须在希望明确地说出这些问题的正确答案之前，先了解量子力学和引力是如何相互作用的。