走进科学
时间的箭头
原作者：Paul Halpern
费城科学大学物理学教授
路易·奥古斯特·布朗基(Louis-Auguste Blanqui 1805-1881 法国革命家)凝视着漫漫星空，此刻他在塔尔托(Taureau)的堡垒，身陷囹圄。布列塔尼(Brittany)的海岸静静承受着海风的刻蚀，一块不起眼的岩石剥落下来。布朗基因其在1871年的巴黎公社运动中的活跃角色而被囚禁于此。当他仰望夜空的时候，宇宙中存在着其它世界的可能性给他带来一丝慰藉。他在《藉星永恒》(Eternity by the Stars 1872)中写道：虽然地球上的生命转瞬即逝，但我们可以安慰自己还有无数个与地球一模一样的星球，山川鸟兽一样的形形色色，所有地球毁灭之前已经发生和尚未发生的事情都如出一辙地会在其他数十亿个世界重演。在那些遥远的世界里是否一样有灵魂困于幽暗昏惑。又或许，出于偶然，在这儿抱屈含冤的人们在比彼处依然自由无碍。
布朗基的想法粗看异想天开——搞不好是长期幽禁造成的幻想。但它道出了一个古老的、至今困扰物理学家和宇宙学家的难题。宇宙会在空间或者是时间上重复么？抑或是我们只是无可避免地、永无止境地前进，眼前这一刻不会再现，过去的绝不会回来？
当布朗基想象人类历史在空间上重复的时候，19世纪的德国哲学家弗里德里希·尼采(Friedrich Nietzsche)设想了在时间上重复的情况。他称之为“永恒回归”或者“永劫回归”。尼采徘徊在不可名状的宏大和深深的沮丧之间，他为自己的发现感到自豪：他，以及世人都会一遍又一遍、无休无止地重温他们的生活。这可不一定的好事。“如果在某天或某夜一位恶魔偷偷潜入你最孤独的孤独之中，轻言细语：现在的生活、过去的生活，一切地一切你都将会再次经历，无数次，并且毫无改变，包括每一处痛苦和欢愉、每一次悸动和叹息……”(《快乐的科学》Gay Science 1882)。不过，无论如何得以永恒——穿越千古回归地球——算是对饱尝忧郁、疾病和绝望的补偿了。
布朗基和尼采的想法都在一定程度上受到了牛顿运动定律以及机械能守恒的启发。这些原理帮助我们理解了控制物体加速度的引力如何影响日月星辰的运动轨道。1814年，法国科学家皮埃尔 - 西蒙拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)证明了将牛顿定律应用于封闭系统可以近乎完美地预测下一刻会发生什么。“我们可以把此时宇宙的状态看成过去的果以及未来的因。”(关于概率的哲学论文 1814)。如果你通晓“宇宙中大至辰宿小至原子”的位置、速度和受到的力，拉普拉斯说“对这样一位全知来说就是无事不明的了，未来一如过去展现在眼前。”
然而，这种决定论的终点却是衔尾蛇式的轮回。在牛顿物理学中，空间只是一个静候演员的舞台，物体在其中移动。但如果那些物体本身是由有限数量的粒子构成——比如一块冰是由氢原子和氧原子构成的。只要给予足够的时间，可能的组合就必定在时间和空间上重复。
这种情况好比两个蛋友一直不停地下井字棋(OOXX)。由于场地有限(3x3个格子)可用元素有限(O/X)，任意可能结果都会重复出现。当然，任何实际的空间具有的组成要素要比井字棋多得多，但是道理是相通的：在时间和空间中循环重复可能是稀疏难遇的，但只要有机会就会不可避免地出现。
机械能守恒是直接从牛顿定律中得到的。它指出，在没有摩擦力和空气阻力的情况下，能量可以一种形式转化成另一种形式(势能到动能)。这是一种能量循环的自发方式。因此，家里的老式摆钟会来回摆动，在最高点获得的势能在最低点变成动能，如此往复。(当然，实际上，空气阻力会逐渐减弱这个过程，除非外界重新拨动)。月球绕着地球的相对稳定的轨道也体现了守恒律导致的周期性和重复性。
如此一来，科学增添了一点神秘主义的特征。布朗基和尼采都是唯物主义者，相信着人类的思维情感都是化学反应的产物。一切物体本质上都是原子组成的，包括产生灵魂这种幻觉的机制。因此，他们也相信物理上的循环一定会导致思想和情绪的重现。
唯物主义者与原子论紧密相关——一切都是由有限个不可分割的最小单元构成。最早的原子论者是公元前5世纪左右古希腊的留基波(Leucippus)和他的门徒德谟克利特(Democritus)。尽管仅有一些古代哲学家赞同原子论，大家在时间循环这一点上却高度一致。和尼采的永恒回归不同，他们关于循环的早期观点是颇为模糊的。在多数版本中，人类的生命并不会一模一样重演。而是宽泛的历史——包括人类和宇宙——会经历一次次的诞生和毁灭，像是不可停止的命运之轮。许多古人认为地球文明会从之前社会的废墟中演化出萌芽，进而达到力量和财富的盛年，转而衰败，在灾难中坠落，等待被其它上升的文明取代。
姑且一览公元前5世纪哲学家恩培多克勒(Empedocles)的观点。他认为，除了四种经典元素，世界是两种基本力量的混合：爱与恨。爱是引导事物至和谐的吸引力，恨是用来分开他们的。历史在爱恨各自主导的时代，以及两者力量相当互相混杂的时代间循环。
在之后的几个世纪，绘制循环是天文学观测的重要工作——古代少数算得上精确的科学之一。天文学家可以预知行星在天空中轨迹的神秘能力给统治者留下深刻印象。他们可以预测日月食和连珠(多个行星排成一线)等天文事件。凭此预测能力，统治者视之圣人智者，进而向他们询问个人建议——开战的最佳时机、婚礼的举办日期——以及天体预测。这样一来，结合天文知识和个人咨询结合的伪科学占星术诞生了。
柏拉图是坚信历史循环(不是完全精确的循环)的，并觉得和天文事件密切相关，比如行星连珠。他认为圆形是神圣的象征，因而所有的事情最终都会回到起点。历史轮回穿过那些黄金岁月和灾难时代，而最终的循环是所谓的“完满年”：五个天空中当时已知的行星——从水星到土星(不包括太阳和月亮)——完全连成一线的时刻。
还有许多其它古文明相信时间循环的图像，尽管大都不是指严格的循环：巴比伦人、古中国人、玛雅人、早期印度教徒和许多美国原住民社会。因为狩猎和农业的需要，他们密切关注着自然运行的方式：季节变更、植物生长、动物迁徙和休眠。这些一定程度上让他们认为循环也是历史的重要部分。死亡也成为通往转世或者变成新的生命形式的入口。最终没有什么东西是真正消逝的；新生命在旧生命衰亡的土壤之上诞生。
但也不是人人都这么想。古希伯来人就更接受一种连续的时间观。他们的经文教导说世界起源于一个特殊的时刻，即圣经诞生的时刻。人类社会类似的也在一个特定时刻开始，即亚当夏娃的出现。人类堕落的故事伴随着无可避免的疾病和死亡，是时间之矢在现实的体现。人与神关系改变的标志就是新准则的出现，比如“十诫”。这些事件都意味着历史是像是稳定的河流，从堕落流到末世。基督徒和穆斯林将这些神启概念融入他们的信仰，由此导致了原罪和救赎相继的类似年表。亚伯拉罕诸教的神学世界观都展现了一种前进的时间观而非重复式的。
直到19世纪初，物理学中都没有一个特别的时间方向。仍以牛顿定律为例，向前向后都是完全符合的——也就是说，原则上机械可以一直运转下去。在工业革命的鼎盛时期，制造商们试图造出完美无瑕的发动机，达到完美的效率，不会通过摩擦和发热丧失任何能量。真的有聪明绝顶的发明家可以消除这种损耗么？与此同时，铁路和工厂的发展也需要更加精确的计时，以此适应标准化的设备和逐渐加快的生活节奏。好像历史必然迈向进步和精确，攀登、前进，不再回头。
尽管有着对完美效率地的需求，损耗却始是终挥之不去的阴影。法国物理学家萨迪·卡诺(Sadi Carnot)在深具影响力的著作《论火的动力》(1824)中解决了永动机的问题。他考虑一台蒸汽机的运作：一种利用水的膨胀和压缩的装置，通过对它加热或冷却来驱动活塞上下。 活塞通常以连杆连接到曲柄或轮子(例如机车的驱动轮)，接着将它们转换成运动。发动机由此做功。功可以描述力将物体从一个点移动到另一个点的能力。
蒸汽机从冷水池中取水，在锅炉中加热，然后将热水和蒸汽排入热水池，让水冷却。 卡诺发现的冷热池之间的温差越大，发动机的做功就越多。 尽管如此，其间仍然会有大量的能量浪费。 换句话说，无论发明家多么聪明，他都无法开发出效率完美的机器：总会有能量无法利用，并且随着时间推移会逐渐增加。
1850年代和60年代，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)将卡诺关于废能的结果推广为被称为热力学第二定律的原理，也被称为熵增(不减)原理。 熵描述了一个系统中有多少能量不可做功。 例如，从汽车尾气排放到大气中的热量不能被回收来为摩托车提供动力。 第二定律普遍地指出，熵必然会自发增加，或者至多保持不变；永远不会减少。 熵和温度差呈反比。 热量自发地从热源流入冷源，这个过程中就可能做功(比如驱动涡轮)。因此，巨大的温差意味着高效、低熵的情况。
另一方面，如果系统的各部分之间没有温差——这种情况称为热平衡——则无法对外做功。 因而，熵会很高。 例如，虽然海洋由于其内部分子的运动而具有丰富的能量，但只有当热量从海洋流入更冷的东西时这种能量才能转化为功。 显然，这个方案是不现实的，因此海洋的大部分能量都基本不可能提取出来。
热力学第二定律也指出，随着时间的推移，自发过程会越来越低效，因为冷热源之间交换热量的过程会使温度趋近相等。 也就是说，它们整体的熵逐渐增加。 最终，当温度均匀时，达到了热平衡状态，就再也不能做一点功了。
热力学第二定律的另一种表述方式是封闭系统总是自发地趋向于热平衡。 此行为定义了明确的时间箭头。 如果你把冰块放在一大杯热茶中，你会观察到温度逐渐平衡，得到一杯温热的饮料。 但是你永远不会看到一个冰块从温水中自发地出现，把热量还给水并使其变热。 如果你看到这样一部奇怪的影片，你会马上明白它是倒放的。 第二定律以此方式给时间规定了一个明确的方向：它是线性的，而不是周期性的。
克劳修斯的结论适用于封闭系统，例如发动机。 但对于宇宙本身呢？ 1852年，英国物理学家开尔文勋爵(Lord Kelvin)提出，当整个宇宙中的所有恒星燃烧殆尽，整个宇宙最终将达到相同的温度。 一旦达到“热寂”，宇宙里就再无可以做功的地方。
当时，人们还不知晓为恒星提供动力的核聚变过程，因此对恒星寿命的估计要短得多——而且热寂的前景着实骇人。 今天，我们知道恒星可以闪耀数十亿年。 即使在灭亡之后，恒星也会留下遗物，例如白矮星，中子星和黑洞，它们以不同的速率仍在辐射(尽管可能像黑洞非常缓慢)。 然而，最终的最终——在比开尔文勋爵设想的时间更长的时间范围内——宇宙，如果它继续如此前进，终将达到寂静的状态。 换句话说，时间的熵增的箭头似乎是普适的。
借助现代的仪器和方法，现代科学正在努力尝试解开时间的本质。 人们已经发展了理解时间之箭的新方法，补充了熵增原理。 美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)等在1920年代观测表明，宇宙正在膨胀。 这一事实表明宇宙学时间也是向前推进的，与宇宙增长同步。
几个天文学家团队在1990年代的研究结果表明，宇宙膨胀正在加速，很可能是由一个被称为“暗能量”的未被观察到的实体导致的。 在某些理论中，暗能量被认为随着时间的推移而加强。 最终，它将强大到压倒所有其他自然界的力并撕裂宇宙的结构，在热寂之前，宇宙就葬身大撕裂之手了。
大多数科学家认为宇宙膨胀是不可逆转的——也有少数不这么想，如新泽西州普林斯顿的保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt )，安大略省圆周理论物理研究所的尼尔·图罗克(Neil Turok)和牛津大学的罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)，已经设想了一些宇宙更新重启地方式。他们的每个模型都是非常基于假设的。 斯坦哈特和图罗克的方法，称为“循环宇宙”，描绘了在更高维度(在某些理论模型中假定)我们的三维宇宙与另一个这样的空间发生周期性的碰撞——就像两片面包被砸在一起形成三明治。 每次高维碰撞都会产生能量爆炸，抹除前一周期的痕迹。 彭罗斯的设想，称为“共形循环宇宙”，涉及一种称为共形映射的特别的数学变换，它把宇宙的起点和终点像莫比乌斯带一样扭曲连接起来。
宇宙微波背景(CMB)辐射的观测和分析已被证明是一种了解宇宙的重要方法。CMB是大爆炸大约38万年后辐射的遗迹，在整个天际中一点与另一点的温度略有不同。 应用强大的统计方法，对CMB的温度分布加以分析，以颜色展现出来的图像有时会称之为“宇宙的婴儿照片”，这种微小的起伏是关于时空性质的宝贵数据库。
首先，数据分析帮助天体物理学家更精确地确定了宇宙的年龄和几何形状。 科学家们现在正从CMB中寻找早期宇宙周期的线索，以及宇宙不同部分之间原始碰撞的伤痕。 如果发现这样的痕迹，它们将为“泡泡宇宙”(一种多宇宙模型)模型提供证据，此模型中，无数其他不断扩展的空间各部分像是泡泡浴，可观测的宇宙从中诞生。 每个泡泡都成长为宇宙的一部分，包括我们看得见的周围这部分。 因此，可能不只一次大爆炸，而是同时发生多处爆发，只要条件合适，就会从宇宙泡沫中产生。来自这些原始碰撞的痕迹将证明我们这片空间并不孤单。
当涉及到量子物理学的亚原子领域时，研究人员也曾认为所有过程都是在时间上完全可逆的，例如电子间散射，无论向后或向前运动,看起来是同样符合物理规律的。 然而，在1964年，美国物理学家詹姆斯·克罗宁(James Cronin)和瓦尔·菲奇(Val Fitch)证明，在极少数情况下，基本粒子的某些衰变模式，称为中性K介子，违反了所谓电荷宇称(Charge-Parity)联合对称性或CP不变性的条件，等价于时间对称性。
简言之，这意味着如果您把相互作用中的粒子的所有电荷进行反转(从正到负，反负到正)并在空间上也进行反转，就好像它在镜子中的反射图像一样，所得到的图像将具有类似于原始相互作用的特征——除了在时间上是倒转的。 如此变换后，一个负电荷的电子向右朝着一个正电荷质子运动就变成一个正电子(电子的反物质对应物)向左远离负电荷的反质子。逆着时间看后一个过程，你会看到正电子和反质子相互吸引的过程(和初始过程一样)。可见无论时间正向和时间逆向过程都同样合理的。
但是，尝试将以上步骤应用于K介子(这是个衰变过程)，你会发现正向过程和逆向过程的概率存在差异。 也就是说，一个比另一个更常见。 自然界，即使在最深层次，也可能偏好某一个时间方向。
总之，我们在自然界中观察到的时间箭头——由于熵增、宇宙膨胀和粒子物理学中的某些物理过程——都表明人类事件的重现极不可能。 据我们目前所知，宇宙正在衰老; 尼采的永恒回归似乎与世界的基本规则冲突。 而另一方面，如果宇宙在空间上是无限的，那么仍有可能存在着与地球几乎相同的行星，在无数光年之外。 如果我们考虑一个无尽的宇宙，空间的重复可以偶然地发生。 也许就在其中的一个，远在我们永远无法观察的地方，另一个布朗基可以自由行走在大地上。