黎明前的時(shí)間之謎

■ 陳壯叔

時(shí)間之謎并非古就有之，它是隨科學(xué)進(jìn)步涌現(xiàn)而出的。根據(jù)現(xiàn)代物理（量子論和相對(duì)論），它們是沒有方向的，即沒有過去和將來之分。

那么，人的感知為什么會(huì)跟物理定律不一致呢？霍金把這一點(diǎn)歸于三個(gè)原因，或稱三種時(shí)間方向：一為宇宙學(xué)時(shí)間方向，二為熱力學(xué)時(shí)間方向，三為人的心理時(shí)間方向。

首先，從大爆炸創(chuàng)生宇宙，隨之產(chǎn)生空間膨脹。因此，宇宙學(xué)的時(shí)間方向和膨脹箭頭方向是一致的。

其次，熱力學(xué)第二定律說，熵（無序的量度）隨時(shí)間而增大。例如，有一盒黑、白小珠拼成的圖案（高度有序），你不時(shí)搖動(dòng)，搖的時(shí)間越長(zhǎng)，小球的排列越混亂（無序）。故無序隨著時(shí)間而增大，也即通過事物的過程，給出了時(shí)間的方向，分出過去和未來。

第三，在人們的心理上，感知到時(shí)間的流逝，故在時(shí)間方向上，他們能記得過去，只能猜想而不是記得將來。

熱力學(xué)和心理時(shí)間箭頭方向必是一致的，這對(duì)智慧生命（人）的存在是必需的。人類消耗糧食（能量的有序態(tài)），然后轉(zhuǎn)變成熱（能量的無序態(tài)），故人的生命過程決定二者時(shí)間箭頭的一致性。

那么，為何宇宙膨脹和熱力學(xué)的時(shí)間方向會(huì)一致呢？按霍金等人的近似計(jì)算，宇宙始于十分平和有序的狀態(tài)，就如現(xiàn)在觀測(cè)到的那樣，這二者顯示出清晰一致的時(shí)間箭頭；若宇宙始于成團(tuán)成塊，處于完全的無序，那么無序不可能隨時(shí)間再增大，這樣，就不會(huì)有清晰的熱力學(xué)時(shí)間箭頭；若宇宙的無序在減小，那么熱力學(xué)和宇宙膨脹的時(shí)間箭頭應(yīng)相反?？墒呛蠖N情況跟我們的觀測(cè)不符。霍金認(rèn)為，這三者時(shí)間方向的一致性是必然的。

不過霍金的理論還是難以服眾，總體來說，他只是做了現(xiàn)象上的聯(lián)系。這個(gè)所謂時(shí)間（方向）之謎一直困惑著物理學(xué)家和哲學(xué)家。最近一些研究者說，時(shí)間奧秘涉及宇宙起源的情節(jié)，不過大多數(shù)研究者還是認(rèn)同它跟熵的關(guān)系，即任何獨(dú)立于外來影響的系統(tǒng)，其無序隨著時(shí)間而增大。

遺憾的是，僅根據(jù)熱力學(xué)第二定律去解釋時(shí)間箭頭，不能破譯這個(gè)謎。的確，增大著的熵確定了時(shí)間方向，直到所有事物處于平衡態(tài)，即處于完全混亂。而宇宙的混亂狀態(tài)就像我們實(shí)際觀測(cè)到的那個(gè)模樣，并非處于它可能達(dá)到的程度（混亂）；換言之，宇宙的熵在過去是相當(dāng)?shù)?，它有很大余地使熵增大?？墒蔷驮谶@里，人們要問，為何過去的熵是如此之低，尤其是當(dāng)大爆炸開啟了宇宙時(shí)鐘之時(shí)，其熵為何是低的？

2010年2月，在圣地亞哥召開的先進(jìn)科學(xué)美國(guó)人協(xié)會(huì)的年會(huì)上，理論物理學(xué)家卡羅爾說：“讓我們回到大爆炸，把問題帶到可觀測(cè)宇宙的起點(diǎn)上。”

約137億年前，大爆炸出于一個(gè)瞬間，空間就此一直膨脹著。根據(jù)這一膨脹來解釋我們?nèi)粘Ｉ钪械臅r(shí)間流，這個(gè)方法始于半個(gè)世紀(jì)以前。當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家T.哥特是把熱力學(xué)的時(shí)間箭頭和大爆炸（引入膨脹）所定義的宇宙學(xué)時(shí)間箭頭聯(lián)系起來的第一人。哥特認(rèn)為，膨脹空間使得熵走向增大，不論開始時(shí)其熵是低或高。即使開始時(shí)就高，膨脹也會(huì)使其走向更高，故宇宙時(shí)間一直向前（即將來）走著。

卡羅爾說，此解只是簡(jiǎn)單地承認(rèn)時(shí)間方向的存在，而未解釋其因?；旧?，它只是把大爆炸定義為“過去”的一個(gè)點(diǎn)，而時(shí)間流從此處于單一方向。但是這一解釋使得在宇宙學(xué)方程中找到的二個(gè)時(shí)間方向無法保持對(duì)等性，故卡羅爾提出，要找到完美的答案，必須在時(shí)間上往回走得更遠(yuǎn)，回到大爆炸之前！

卡羅爾在年會(huì)上說：“你總是聽宇宙學(xué)家說，大爆炸是時(shí)空的開始時(shí)刻，大爆炸之前不存在任何事物。我們不知道大爆炸之前發(fā)生過什么，但出現(xiàn)過某些事物卻是絕對(duì)可能的。”

事實(shí)上，今天許多宇宙學(xué)家已在認(rèn)真地研究這種可能性，即大爆炸前可能發(fā)生過的各種事物。而大自然創(chuàng)生的我們這個(gè)宇宙只是大量各具時(shí)空特性的“泡沫”中的一個(gè)，只是它們包裹著永恒的外衣。這個(gè)復(fù)雜的多宇宙世界，包藏著無數(shù)的單個(gè)宇宙，各自誕生于其自身（嬰兒“泡沫”的形式）的大爆炸。嬰兒“泡沫”又跟臍狀的蟲洞嚴(yán)密相連，通向一個(gè)原始的虛空。

卡羅爾說，這個(gè)虛空可能是一個(gè)高熵區(qū)域。但是，虛無不能表達(dá)一種確切的描述。因?yàn)榘戳孔游锢淼臏y(cè)不準(zhǔn)原理，一個(gè)完全虛無的空間是不許可的。能量的起伏是不可避免的，在某個(gè)極少的機(jī)會(huì)上，這種起伏的能量大到足以爆出一個(gè)完整的時(shí)間“泡沫”，并進(jìn)入存在——嬰兒宇宙。這個(gè)嬰兒宇宙可能膨脹到那種狀態(tài)，使人類物理學(xué)家“看”入其內(nèi)，并能在其內(nèi)部考察。

卡羅爾說：“往往一個(gè)能量起伏將使一小滴宇宙由于能量的作用而開始膨脹。能量在轉(zhuǎn)變成物質(zhì)和輻射之前可能在那里待一個(gè)瞬間，而整個(gè)情景看上去就像我們的大爆炸。”

就是這樣，這個(gè)存在于大爆炸之前的高熵虛無時(shí)空，能一直增大其熵至更高，直至嬰兒宇宙的誕生。雖然嬰兒宇宙可能是低熵，而系統(tǒng)的總熵可能更高。從母空間脫離之后，低熵的嬰兒宇宙將膨脹，隨著它的膨脹，熱力學(xué)第二定律使得時(shí)間單一方向地奔走。最終，宇宙的熵將達(dá)到一個(gè)最大值。

最好的情形是發(fā)生雙向的時(shí)間。由于虛空能產(chǎn)生眾多的時(shí)空“泡沫”，任何一個(gè)“泡沫”皆具有單向的時(shí)間箭頭，這一“泡沫”是前向的，那另一個(gè)“泡沫”就會(huì)逆向，最終保持了時(shí)間的對(duì)稱。

任一“泡沫”的占有者，總是相信大爆炸在過去創(chuàng)生了他們的“泡沫”。而在一個(gè)處于所有一切之外的超級(jí)觀察者看來，事情十分清楚，時(shí)間處于雙方向的運(yùn)動(dòng)，就如物理定律一直以來所指出的那樣。

卡羅爾說：“要點(diǎn)是，整個(gè)事物，即整個(gè)宇宙世界相對(duì)與相間，是完全對(duì)稱的?！彼嵝颜f，這一看法是猜測(cè)性的，嚴(yán)格的證據(jù)還有待于宇宙學(xué)家計(jì)算中的明顯進(jìn)展。而這僅是調(diào)和無時(shí)間性的物理定律，跟有向性的時(shí)間箭頭之間的許多看法中的一種。例如，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家L.麥可恩指出，實(shí)際上熱力學(xué)第二定律允許時(shí)間的雙向性，但是任何發(fā)生在逆向（時(shí)間）中的事物不會(huì)留下任何痕跡和記錄，甚至記憶（若你炒蛋，而時(shí)間逆向運(yùn)行，不僅蛋不會(huì)變成未炒之前，而且你大腦中的神經(jīng)細(xì)胞將恢復(fù)到過去的狀態(tài)，清除你剛剛炒蛋的經(jīng)歷）。故若時(shí)間按反方向流動(dòng)，你是無論如何也感知不到這一點(diǎn)的。

即使麥可恩確認(rèn)這一看法，但也無法解釋科學(xué)家所接受的開始時(shí)的熵為什么會(huì)如此之低。

還有一個(gè)更復(fù)雜的問題：解決時(shí)間之謎涉及熱力學(xué)第二定律，故還得考慮到它的有效性和正確性。

最近一個(gè)時(shí)期以來，有日益增多的學(xué)者懷疑熱力學(xué)第二定律的正確性。例如S.華爾弗茨在其所著《一種新的科學(xué)》一書中說，引證電腦模型可以證明熱力學(xué)第二定律是完全錯(cuò)誤的；其他研究者，通過檢查不同狀態(tài)，尤其是在量子效應(yīng)發(fā)生作用的情況下，也在熱力學(xué)第二定律中找出一些漏洞。意大利物理學(xué)家G.亞伯拉罕最近指出，“過去15年對(duì)熱力學(xué)第二定律提出了空前的挑戰(zhàn)，有50余篇論文發(fā)表在有關(guān)的文獻(xiàn)中”。

考慮到迄今有關(guān)時(shí)間（方向）之謎沒有一個(gè)令人信服的解釋，這也并不奇怪。物理學(xué)界歷經(jīng)幾十年的努力，想要解釋幾個(gè)重大的問題，但都?xì)w于失敗。

現(xiàn)在，我們只知道宇宙構(gòu)成主要的東西是：物質(zhì)、未知其特性的暗物質(zhì)和同樣神秘的暗能量。我們同樣不了解的是，為何這三者構(gòu)成5∶25∶70的密度比例？還有，大尺度范圍的定律（主要是引力）最終能否跟微觀世界中的量子定律相匹配？迄今，把引力跟量子物理結(jié)合起來的努力，從未取得完好的成功。

這些問題正在平靜下來。一些科學(xué)家認(rèn)為，這正意味著21世紀(jì)將產(chǎn)生另一愛因斯坦級(jí)別的革命，而且正是有關(guān)時(shí)間特性的。一些人提出，解決時(shí)間方向之謎，就是需要這樣的革命。在這些人士中，有諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安東尼·萊格特，他是伊利諾伊大學(xué)的物理學(xué)家。他在年會(huì)上說：“若我們?nèi)〉昧丝膳c相對(duì)論或量子論相比的真正的大革命，那么在未來幾十年內(nèi)，在物理學(xué)中，它將根本性地修正我們關(guān)于時(shí)間方向的思想?！?/p>