宇宙看起来不太对劲。考虑到宇宙学家几乎没有比较标准，这似乎是一件奇怪的事情。我们如何知道宇宙应该是什么样子？尽管如此，多年来，我们已经形成了对什么是“自然”的强烈直觉——而我们看到的宇宙并不符合条件。
不要误会：宇宙学家已经拼凑出一幅令人难以置信的成功图景，描绘了宇宙是由什么构成的以及它是如何演化的。大约140亿年前，宇宙比恒星内部更热更稠密，从那时起，随着空间结构的膨胀，宇宙一直在冷却和稀疏。这幅图景解释了我们所做的几乎所有观测，但许多不寻常的特征，尤其是在早期宇宙中，表明故事还有我们不理解的更多内容。
在宇宙不自然的方面中，时间不对称性最为突出。构成宇宙行为的微观物理定律不区分过去和未来，然而早期宇宙——热、稠密、均匀——与今天的宇宙——冷、稀疏、块状——完全不同。宇宙开始时是有序的，此后变得越来越无序。时间的不对称性，即从过去指向未来的箭头，在我们日常生活中起着不可磨灭的作用：它解释了为什么我们不能把煎蛋卷变成鸡蛋，为什么冰块永远不会在一杯水中自发融化，以及为什么我们记得过去但不记得未来。我们所经历的不对称性的起源可以追溯到宇宙在大爆炸附近的有序性。每次你打碎鸡蛋，你都在进行观测宇宙学。
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时间之箭可以说是宇宙学家目前完全无法解释的最明显的特征。然而，越来越多地，关于我们观察到的宇宙的这个谜题暗示了我们未观察到的更大时空的存在。它为我们是多元宇宙的一部分这一概念增加了支持，多元宇宙的动力学有助于解释我们局部区域看似不自然的特征。
熵之谜
物理学家将时间不对称性的概念概括在著名的热力学第二定律中：封闭系统中的熵永远不会减少。粗略地说，熵是系统无序程度的度量。在19世纪，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼用物体的微观状态和宏观状态之间的区别来解释熵。如果有人让你描述一杯咖啡，你很可能会提到它的宏观状态——它的温度、压力和其他整体特征。另一方面，微观状态指定了液体中每个原子的精确位置和速度。许多不同的微观状态对应于任何一个特定的宏观状态：我们可以移动一个原子到这里或那里，而没有人会在宏观尺度上注意到。
熵是对应于相同宏观状态的不同微观状态的数量。（技术上，它是该数字的位数或对数。）因此，将给定数量的原子排列成高熵构型的方式多于排列成低熵构型的方式。想象一下你把牛奶倒入咖啡中。有很多方法可以分布分子，使牛奶和咖啡完全混合在一起，但相对较少的方法可以将它们排列成牛奶与周围咖啡隔离的状态。因此，混合物的熵更高。
从这个角度来看，熵随着时间推移而增加并不奇怪。高熵状态的数量远远超过低熵状态；几乎任何对系统的改变都会使其进入更高的熵状态，这仅仅是运气使然。这就是为什么牛奶会与咖啡混合，但永远不会分离。尽管所有牛奶分子在物理上都有可能自发地排列在彼此旁边，但这在统计学上非常不可能。如果你等待它在分子随机重组的情况下自行发生，你通常必须等待比当前可观测宇宙年龄更长的时间。时间之箭仅仅是系统趋于演化为众多、自然的、高熵状态之一的趋势。
但是，解释为什么低熵状态演化为高熵状态与解释为什么熵在我们宇宙中增加是不同的。问题仍然存在：为什么熵一开始就低？鉴于低熵状态如此罕见，这似乎非常不自然。即使承认我们今天的宇宙具有中等熵，也不能解释为什么熵曾经更低。在所有可能演化成我们这样宇宙的初始条件中，绝大多数都具有更高的熵，而不是更低的熵[参见戴维·莱泽的《时间之箭》；《大众科学》，1975年12月]。
换句话说，真正的挑战不是解释为什么宇宙的熵明天会比今天高，而是解释为什么熵昨天更低，甚至前天更低。我们可以将这种逻辑一直追溯到我们可观测宇宙的时间开端。最终，时间不对称性是宇宙学需要回答的问题。
空虚的混乱
早期宇宙是一个非凡的地方。构成我们当前观测到的宇宙的所有粒子都被挤压到一个极其热、稠密的体积中。最重要的是，它们几乎均匀地分布在那个微小的体积中。平均而言，密度在不同地点之间的差异仅为十万分之一左右。渐渐地，随着宇宙的膨胀和冷却，引力的拉力增强了这些差异。粒子稍微多一些的区域形成了恒星和星系，粒子稍微少一些的区域清空形成空洞。
显然，引力对于宇宙的演化至关重要。不幸的是，当涉及引力时，我们并没有完全理解熵。引力源于时空的形状，但我们没有关于时空的全面理论；那是量子引力理论的目标。正如我们可以将流体的熵与其构成成分分子的行为联系起来一样，我们不知道是什么构成了空间，因此我们不知道哪些引力微观状态对应于任何特定的宏观状态。
尽管如此，我们对熵如何演化有一个大致的了解。在引力可以忽略不计的情况下，例如一杯咖啡，粒子的均匀分布具有高熵。这种情况是平衡状态。即使粒子重新排列自身，它们也已经非常彻底地混合在一起，以至于宏观上似乎没有发生什么大事。但是，如果引力很重要且体积固定，则平滑分布具有相对较低的熵。在这种情况下，系统远远偏离平衡状态。引力导致粒子聚集形成恒星和星系，熵显着增加——与第二定律一致。
事实上，如果我们想在引力活跃时最大化体积的熵，我们知道我们会得到什么：黑洞。在 20 世纪 70 年代，剑桥大学的斯蒂芬·霍金证实了耶路撒冷希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦的一个挑衅性建议，即黑洞完全符合第二定律。就像最初制定第二定律来描述的热物体一样，黑洞会发出辐射并具有熵——大量的熵。一个百万太阳质量的黑洞，例如位于我们银河系中心的黑洞，其熵是可观测宇宙中所有普通粒子的 100 倍。
最终，即使是黑洞也会通过发射霍金辐射而蒸发。黑洞不具有可能的最高熵——而只是可以装入一定体积的最高熵。然而，宇宙中的空间体积似乎在无限增长。1998 年，天文学家发现宇宙膨胀正在加速。最直接的解释是暗能量的存在，暗能量是一种即使在空旷空间中也存在的能量形式，并且似乎不会随着宇宙膨胀而稀释。这不是宇宙加速的唯一解释，但提出更好想法的尝试迄今为止都失败了。
如果暗能量没有被稀释掉，宇宙将永远膨胀。遥远的星系将从视野中消失[参见劳伦斯·M·克劳斯和罗伯特·J·舍勒的《宇宙学的终结？》；《大众科学》，3月]。那些没有消失的星系将坍缩成黑洞，而黑洞又会像炎热天气下的水坑一样蒸发到周围的黑暗中。剩下的将是一个实际上空无一物的宇宙。只有到那时，宇宙才会真正达到其最大熵。宇宙将处于平衡状态，并且永远不会发生什么大事。
空旷的空间具有如此巨大的熵，这可能看起来很奇怪。这听起来像是说世界上最混乱的桌子是一张完全空旷的桌子。熵需要微观状态，乍一看，空旷的空间没有任何微观状态。然而，实际上，空旷的空间拥有大量的微观状态——构建到空间结构中的量子引力微观状态。我们还不知道这些状态究竟是什么，就像我们不知道哪些微观状态解释了黑洞的熵一样，但我们确实知道，在加速膨胀的宇宙中，可观测体积内的熵接近一个恒定值，该值与边界的面积成正比。这是一个真正巨大的熵量，远远大于该体积内物质的熵。
过去与未来
这个故事最引人注目的特点是过去和未来之间明显的差异。宇宙开始于非常低的熵状态：粒子平滑地聚集在一起。它演化到中等熵状态：我们今天看到的恒星和星系的不均匀分布。它最终达到高熵状态：几乎空旷的空间，仅具有偶尔散落的低能量粒子。
为什么过去和未来如此不同？仅仅假设一个初始条件理论——宇宙以低熵开始的原因——是不够的。正如悉尼大学的哲学家休·普赖斯所指出的那样，任何适用于初始条件的推理也应适用于最终条件，否则我们将犯下我们试图证明的事情——过去是特殊的。我们要么必须将时间深刻的不对称性视为宇宙的一个直截了当的特征，而无法解释，要么我们必须更深入地研究空间和时间的运作方式。
许多宇宙学家试图将时间不对称性归因于宇宙暴胀过程。暴胀是对宇宙许多基本特征的有吸引力的解释。根据这个想法，极早期宇宙（或至少是其中一部分）填充的不是粒子，而是一种暂时的暗能量形式，其密度远高于我们今天观察到的暗能量。这种能量导致宇宙的膨胀以惊人的速度加速，之后它衰变成物质和辐射，留下了一丝暗能量，这丝暗能量今天再次变得重要。从平滑的原始气体到星系及更远的大爆炸的其余故事，只是顺理成章。
暴胀的最初动机是为早期宇宙中微调的条件提供强有力的解释——特别是，广泛分离区域中物质的显着均匀密度。由暂时的暗能量驱动的加速几乎完美地平滑了宇宙。物质和能量的先前分布无关紧要；一旦暴胀开始，它就会消除先前条件的任何痕迹，给我们留下一个热、稠密、平滑的早期宇宙。
暴胀范式在许多方面都非常成功。它对与完美均匀性的轻微偏差的预测与宇宙中密度变化的观测结果一致。然而，作为对时间不对称性的解释，宇宙学家越来越认为它有点像作弊，原因牛津大学的罗杰·彭罗斯和其他人已经强调过。为了使该过程按预期工作，超稠密暗能量必须以非常特定的配置开始。事实上，它的熵必须远远小于它衰变成的热、稠密气体的熵。这意味着暴胀并没有真正解决任何问题：它通过调用更早的更低熵状态（被超稠密暗能量支配的平滑空间区域）来“解释”异常低的熵状态（热、稠密、均匀的气体）。它只是将难题向后推了一步：为什么暴胀会发生？
许多宇宙学家将暴胀作为时间不对称性的一种解释的原因之一是，暗能量的初始构型似乎并没有那么不可能。在暴胀时期，我们可观测的宇宙直径不到一厘米。直觉上，如此微小的区域没有多少微观状态，因此宇宙意外地偶然进入与暴胀相对应的微观状态并非那么不可能。
不幸的是，这种直觉具有误导性。早期宇宙，即使它只有一厘米宽，也具有与今天整个可观测宇宙完全相同的微观状态数量。根据量子力学规则，系统中的微观状态总数永远不会改变。（熵增加不是因为微观状态的数量增加，而是因为系统自然而然地最终进入最通用的宏观状态。）事实上，早期宇宙与晚期宇宙是相同的物理系统。毕竟，一个演变成另一个。
在宇宙微观状态可以排列自身的所有不同方式中，只有极小一部分对应于填充在微小体积中的超稠密暗能量的平滑构型。暴胀开始的必要条件非常特殊，因此描述了一种非常低的熵构型。如果你要随机选择宇宙的构型，你将极不可能碰巧获得启动暴胀的正确条件。暴胀本身并不能解释为什么早期宇宙具有低熵；它只是从一开始就假定它存在。
时间对称的宇宙
因此，暴胀无助于解释为什么过去与未来不同。一种大胆但简单的策略是说：也许遥远的过去毕竟与未来没有不同。也许遥远的过去，就像未来一样，实际上是一种高熵状态。如果是这样，我们一直称之为“早期宇宙”的热、稠密状态实际上并不是宇宙的真正开端，而只是其历史阶段之间的过渡状态。
一些宇宙学家想象宇宙经历了一次“反弹”。在此事件发生之前，空间正在收缩，但新的物理原理——量子引力、额外维度、弦理论或其他奇异现象——在最后一刻介入以拯救局面，而不是简单地崩溃到无限密度的点，宇宙从另一边出来进入了我们现在感知为大爆炸的状态。虽然引人入胜，但反弹宇宙学并不能解释时间之箭。要么熵在先前的宇宙接近收缩时增加——在这种情况下，时间之箭无限延伸到过去——要么熵在减少，在这种情况下，宇宙历史的中间（在反弹时）发生了不自然的低熵条件。无论哪种方式，我们都再次回避了为什么我们称之为大爆炸附近的熵很小的问题。
相反，让我们假设宇宙始于高熵状态，这是其最自然的状态。空旷的空间是这种状态的一个很好的候选者。像任何良好的高熵状态一样，空旷空间的趋势是静止不动，保持不变。因此，问题是：我们如何让当前的宇宙脱离荒凉而静止的时空？秘密可能在于暗能量的存在。
在暗能量存在的情况下，空旷的空间并非完全空旷。量子场的涨落产生非常低的温度——远低于今天宇宙的温度，但仍然不是绝对零度。所有量子场都在这样的宇宙中经历偶尔的热涨落。这意味着它不是完全静止的；如果我们等待足够长的时间，单个粒子甚至大量粒子集合将波动产生，然后再次消散到真空中。（这些是真实粒子，而不是空旷空间即使在没有暗能量的情况下也包含的短寿命“虚”粒子。）
可以波动产生的物质中包括小块超稠密暗能量。如果条件恰到好处，该区域可能会经历暴胀并分裂出来形成一个独立的宇宙——一个婴儿宇宙。我们的宇宙可能是某个其他宇宙的后代。
从表面上看，这种情况与暴胀的标准解释有些相似。在那里，我们也假设一块超稠密暗能量偶然出现，点燃了暴胀。不同之处在于起始条件的性质。在标准解释中，该区域出现在狂野波动的宇宙中，其中绝大多数波动没有产生任何类似暴胀的东西。宇宙似乎更可能直接波动进入热大爆炸，从而完全绕过暴胀阶段。事实上，就熵而言，宇宙甚至更可能直接波动进入我们今天看到的构型，从而绕过过去 140 亿年的宇宙演化。
在我们新的情景中，先前存在的宇宙从未随机波动；它处于非常特定的状态：空旷的空间。该理论声称——并且有待证明——从这种先前存在的状态创造像我们这样的宇宙的最可能方式是经历一段暴胀时期，而不是直接波动到那里。换句话说，我们的宇宙是一种波动，但不是随机波动。
Emit fo Worra (时间之箭的反向拼写，故意为之)
芝加哥大学的詹妮弗·陈和我于 2004 年提出的这种情景，为我们可观测宇宙中时间不对称性的起源提供了一个具有启发性的解决方案：我们只看到了大图景的一小部分，而这个更大的舞台是完全时间对称的。熵可以通过创造新的婴儿宇宙而无限增加。
最棒的是，这个故事可以正向和反向讲述。想象一下，我们从某个特定时刻的空旷空间开始，并观察它向未来和过去演化。（它双向发展，因为我们没有假定单向的时间之箭。）婴儿宇宙在时间的两个方向上波动产生，最终清空并孕育出它们自己的婴儿。在超大尺度上，这样的多元宇宙在统计上看起来关于时间是对称的——过去和未来都将出现新的宇宙波动产生并无限增殖。它们中的每一个都将经历时间之箭，但一半的箭头的方向与另一半相反。
时间之箭方向相反的宇宙的想法可能看起来令人震惊。如果我们遇到来自这样一个宇宙的人，他们会记得未来吗？幸运的是，没有这种会面的危险。在我们描述的情景中，时间似乎倒流的唯一地方是我们过去非常遥远的地方——远在我们的大爆炸之前。中间是广阔的宇宙空间，其中时间似乎根本没有运行；几乎没有物质存在，熵也没有演化。任何生活在这些时间倒流区域的生物都不会老着出生，年轻着死去——或其他任何异常的事情。对他们来说，时间会以完全传统的方式流动。只有将他们的宇宙与我们的宇宙进行比较时，才会显得不寻常——我们的过去是他们的未来，反之亦然。但是这种比较纯粹是假设性的，因为我们无法到达那里，他们也无法来到这里。
截至目前，我们的模型尚未定论。宇宙学家多年来一直在思考婴儿宇宙的想法，但我们不了解婴儿宇宙的诞生过程。如果量子涨落可以创造新的宇宙，它们也可以创造许多其他东西——例如，整个星系。为了使像我们这样的情景能够解释我们看到的宇宙，它必须预测大多数星系是在类似大爆炸事件之后产生的，而不是作为原本空旷的宇宙中的孤立波动。如果不是这样，我们的宇宙将显得非常不自然。
但最重要的教训不是关于超大尺度时空结构的任何特定情景。而是这样一种想法：我们可观测宇宙的一个引人注目的特征——时间之箭，它源于早期宇宙中非常低的熵条件——可以为我们提供关于不可观测宇宙性质的线索。
正如本文开头提到的，有一个符合数据的图景固然很好，但宇宙学家想要的不仅仅是这样：我们寻求对自然规律和我们特定宇宙的理解，使一切对我们来说都有意义。我们不想沦为接受我们宇宙的奇怪特征为不容置疑的事实。我们可观测宇宙的巨大时间不对称性似乎正在为我们提供一个更深层次的线索——一个关于空间和时间的终极运作方式的提示。我们作为物理学家的任务是利用这个和其他线索来拼凑出一幅引人注目的图景。
如果可观测宇宙是存在的全部，那么几乎不可能以自然的方式解释时间之箭。但是，如果我们周围的宇宙只是更大图景的一小部分，那么新的可能性就会出现。我们可以将我们宇宙的这一小部分视为拼图的一部分，作为更大的系统在非常遥远的过去和非常遥远的未来无限增加其熵的趋势的一部分。套用物理学家爱德华·特赖恩的话，如果大爆炸不是万物的开端，而只是不时发生的事情之一，那么大爆炸就更容易理解了。
其他研究人员正在研究相关的想法，因为越来越多的宇宙学家正在认真对待时间之箭提出的问题。观察时间之箭很容易——你所要做的就是将少量牛奶倒入咖啡中。在品尝咖啡的同时，您可以思考这个简单的动作如何追溯到我们可观测宇宙的开端，甚至更远。
这个故事最初以“时间之箭的宇宙起源”为标题印刷