关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
物理学家通常将我们居住的宇宙结构描述为四维时空，包括三个空间维度和一个时间维度。但是，虽然我们每天可以在空间中随意朝任何方向移动（在重力和固体障碍物的允许下），但时间却推着我们前进，无论我们是否愿意，都朝着一个预定的方向：走向未来。
这就是时间之箭——生命将我们从过去带向现在，再到未来。 回到未来 的情节暂且不论，没有人知道如何逆转时间之箭——如何及时倒流——以及这种回到过去的旅行将导致的逻辑悖论，充其量也只是一个棘手的问题。（感谢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：只需非常非常快地移动。）
在他的新书 从永恒到此处 (Dutton, 2010) 中，加州理工学院的理论物理学家 肖恩·卡罗尔 着手解释为什么时间总是坚定不移地朝着一个方向前进。 在扩展他在 2008 年 6 月为大众科学撰写的专题文章 “时间之箭的宇宙起源” 中的概念时，卡罗尔主张必须将时间、熵和宇宙学这三个看似截然不同的概念结合起来。
熵，粗略地说，是对系统无序程度的衡量，随着时间的推移而增加，这由热力学第二定律决定。 为了说明熵不可阻挡的增长，卡罗尔将我们带到餐桌旁——他指出，你无法将炒蛋恢复原状，也无法将牛奶从咖啡中取出。 这些系统总是会变成无序或高熵的排列。 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，从而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。
但是为什么熵应该总是增加呢？ 这就是卡罗尔转向宇宙学的地方，宇宙学必须解释为什么宇宙开始于独特的低熵状态。 我们与这位物理学家谈论了他的新书以及向广大读者介绍前沿物理学的挑战。
[以下是采访的编辑稿。]
时间有什么有趣的？ 对于一个天真的观察者来说，时间就是这样流逝，我们对此无能为力；它是永恒不变的。
有两件事启发我写这本书。 一是时间是我们都熟悉的东西。 我们都在使用它——我们阅读手表没有问题。 但是，当您像一个优秀的科学家或哲学家一样尝试理解它时，这个谜题就出现了：物理学的基本定律将过去和未来 [视为] 完全相同，而世界并非如此。 存在很大的差异——过去已经发生，而未来仍然是未知的。 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，至少在几百年以来人们一直在思考这个问题。
我认为这是一个重要且有趣的问题，而且写它与写其他任何东西一样好。 但是，我认为有一件事使这个问题有点特殊，那就是过去与未来的不同之处的答案，无论最终结果如何，都不仅仅是关于你我和我交谈时发生的事情，就像时间在我们日常生活中流逝一样。 它与整个宇宙息息相关——与宇宙大爆炸时发生的事情，与我们宇宙开始时的特殊条件息息相关。
要充分理解我们日常生活中发生的事情，需要考虑到宇宙大爆炸时发生的事情。 这不仅本质上很有趣，而且令人感到很酷，而且对于工作科学家来说，这是一个没有受到太多关注的谜；它有点被低估了。 我们离知道最终答案还很远，以至于我们有点不太考虑它。 因此，我想引起人们对时间之箭与宇宙学之间联系的关注，不仅是对普通读者，而且也对我的科学界朋友。 我认为这是我们真正应该牢记的现代科学面临的基本难题之一。
作为一名普通读者，我欣赏各章节开头的引语，这些引语来自 安妮·霍尔、弗拉基米尔·纳博科夫、 阿呆与阿瓜。 试图保持这本书的可读性和趣味性有多大的挑战？
我尽了最大的努力，我认为我在某些地方比其他地方更成功。 很多材料与我研究的内容不太一样，所以我不得不学习很多，并思考我模糊意识到的事情已经有一段时间了。 我实际上认为，我比那些我最理解的部分更能让这些部分生动有趣且易于理解。 因为我知道我必须坐下来非常非常认真地思考它；我不能只是给出我通常的解释。
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。 它们不是非常抽象的；我们不是在高维度或类似的东西中工作。 你可以看到我们正在谈论的基本思想如何在日常生活中运作。
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，我绝对想表达这样一种感觉，即当我们思考宇宙、空间、时间、经验、记忆、自由意志以及我在书中谈到的所有这些事物时，这既是科学，又是我们的日常生活，又是我们所处的文化，所以为什么不找点乐子并将它们结合在一起呢？
回到科学，熵的概念如何与时间之箭交织在一起？
嗯，我认为人们可能听说过“熵”这个词。 它会增加；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——关于 [英国小说家和物理学家] C. P. 斯诺的轶事，他试图说服人们，他们不仅应该精通文学，还应该精通科学。 而斯诺选择的一个每个人都应该知道的例子是热力学第二定律，即熵增加定律。
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——我们会认为“时间如何运作”、“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。 你总是年轻时出生，然后变老，而不是像 本杰明·巴顿那样倒着变老——这一切都是因为熵。 因此，我认为熵作为在我们的生活中起着至关重要作用的东西被低估了。
在书中，你有一个坦诚的时刻，你谈到一位资深的、匿名的物理学家对你关于时间和第二定律的理论有一些抱怨。
他的反对意见是关于宇宙学与此有关的想法。
以下说法非常正确：要理解热力学第二定律，或者时间之箭如何在我们的日常生活中运作，我们根本不需要谈论宇宙学。 如果你拿起一本关于统计力学的教科书，里面根本不会谈论宇宙学。 因此，说我们需要理解宇宙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，这是不正确的。 问题是，要理解它为什么存在，就需要了解宇宙学以及宇宙大爆炸时发生的事情。
一旦你假设宇宙由于某种原因具有低熵，那么其他一切都会随之而来，而这就是我们在教科书中经常谈论的内容。 但是我们的雄心壮志不止于此。 我们想了解为什么会这样——为什么昨天的熵比今天的熵低？
要理解为什么昨天的熵较低，确实需要宇宙学。 而且我认为，如果你坐下来仔细思考，就绝对毫无疑问这是真的，但很多人仍然不太接受它。
如果你采用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？ 它看起来像什么？
通过这个观察，我们并没有学到任何关于早期宇宙的东西。 我们已经知道早期宇宙是什么样的了。 它是平滑的，它在快速膨胀，它是一个稠密、高温的状态，而且宇宙中有很多物质。 现在，这恰好是宇宙可能处于的非常低熵的配置，而这才是难题。 因此，我们并不是在了解早期宇宙是什么样的，因为我们已经知道了——而是为了试图解释它，为了提出一个理论，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，否则你就没有成功地解释早期宇宙。 而且我只是认为，大量的当代宇宙学理论未能满足这一要求；它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？
目前还没有。 我们希望他们能做到。 我只能说希望他们能做到。 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是不同的。 这是一个更大的图景的一部分——我们必须在能够明确地说出这些问题的正确答案是什么之前，理解量子力学和引力如何相互作用。