走进科学
物理学家答：为什么时间只能向前走而无法倒流？
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popular mechanics杂志请到了Tim Koslowski，一位新不伦瑞克大学的理论物理学家，他研究引力和时间，最近有了一项重大的理论突破。今天他将向我们揭示答案。
问：什么是时间箭头？为什么它困扰物理学家将近一个世纪？
答：时间箭头的通俗解释是我们可以记住过去，但无法记忆未来。我们可以查阅历史书籍和其他各种记录来了解发生在我们之前的事情，而在我们之后的(未来)的事情却无法了解。
这看上去很简单，但里面却有一个悖论。物理学是对称的，意味着无论你朝时间的哪个方向移动，发生的情况应该都一样。举个例子，假设有这么一部影片，记录一只鸡蛋掉落桌面，然后摔碎在地上。如果你把影片倒放，那么所有的碎片就像是自行组装一样，这种(重组装之)力将一只完整的蛋弹回到桌子上——当然，这也符合物理学定律。
那么问题来了。为什么我们找遍宇宙，都只能看到第一种情况，却从来没见过第二种情况呢？
问：有什么可能的解释吗？
答：人们曾提出过许多种解释，其中大部分围绕着这么一个中心：时间箭头本质上是由熵的增加而产生的。熵，粗略地讲，是系统的无序程度。熵是不对称的。这是热力学第二定律。我们知道任何足够大的系统经过足够长的时间其熵的总和一定是增加的——它会从一个状态变为一个更加无序的状态。
假设你先在瓶子里装一半盐，再把另一半填满胡椒粉。一开始是清晰分明的两层东西。但你只要移动或者晃动瓶子，盐和胡椒就会混合从而变得无序。这就是熵。而且因为它是一个单向过程，许多物理学家认为是它决定了时间箭头的方向。
但是这个理论有两个缺陷：第一是熵有上限——你的盐和胡椒瓶最后会达到一个最无序态，也就是无论你再怎么摇晃，它们都不会更加混合了。第二，为了观察熵的增加，首先你要确定一个初始状态——就是盐和胡椒的初始状态。要是拿我们的宇宙作例子，那就得仔细想想了——一个高度有序的初始状态是几乎不可能的。
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问：据说你通过观察一项复杂度的属性，避开了这两个问题。你能解释一下吗？
答：我们建立了一个大规模宇宙的近似模型，里面引力是主要作用力。宇宙中充满粒子。记住，这是个简化的近似模型。例如，我们没有引入其他任何力，或者引力波/暗物质什么的。
我们不需要设定一个特殊的初始条件就可以产生时间箭头，原因比较复杂，但根源是引力不像其他力一样，万有引力就是吸引力(其他力如强弱相互作用力和电磁力都是既有吸引力又有排斥力)。这很重要。因为吸引力和排斥力的结合不可避免地造成了一种混沌的平衡，而单一的万有引力则可持续增长，我们从中演化出了时间箭头。
这意味着在我们的模型里，无论初始粒子的状态是多么的无序，只要引力持续存在，宇宙的各部分就会聚集，我们的模型就会凝合出许多亚系统。你可以把它们想象成星系的形成。它们都有自己独特都旋转，能量和动量。
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问：等等，我们先退回去一点。要是我们只考虑万有引力，为什么你的模型不会自己坍塌呢？
答：你很机智。我们知道当你把整个宇宙看作一体，它其实是在膨胀的。我们通过设定粒子间距的增加把这种膨胀机制引入到模型中来。
这很关键，因为在引力主导的膨胀系统中，你会马上看到很有意思的事情发生。宇宙的复杂度(我们把复杂度作为一个明确的物理量来描述模型的聚集度)会持续增长，无穷无尽。我们发现这样一个系统，无论你输入的初始状态如何，它的复杂度都会无限制地增长。
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问：但是那些和引力不相关的物理现象呢？为什么它们的时间也只能向一个方向进行？
答：这个我们现在正在研究，我先给你一些早期结论。一个例子就是原子衰变，你会发现一个原子总会衰变成一个更轻的原子，而不是更重的。这就符合时间箭头，却看似和引力毫无关联，是不是？但其实也不尽然。你要知道，原子之所以成为原子，是因为某种东西把它聚合成这样一种初始状态，然后它才能衰变。
我们还无法具体理解。但我们的确有一个早期宇宙的模型，当引入引力后，模型产生了许多异常的初始状态。随着宇宙膨胀，在产生的亚系统里引力慢慢失去了主导地位，初始的不稳定因素开始同时发展其他的时间箭头。
问：你的意思是早期宇宙很有可能有多个不同方向的时间箭头？
答：是的，的确有可能。我们其实把这个过程叫hylogenesis(物质生成)——早期宇宙的某个阶段不同时间箭头是混乱无序的。但是因为引力是主导作用力，它迫使所有的时间箭头指向一个方向。在那之前，没有我们现在所说的时空概念。
本文译自 Popular Mechanics，由 Skywalker 编辑发布。