第7章 时间箭头

每个人在生命的旅途中都要经过衰老的过程，从年幼的孩童变成年长的成人。宇宙也会随着年龄渐长而变化——从炙热稠密的大爆炸到冰冷空旷的未来。这两个不同的过程都是时间箭头的表现方式，也就是时间的方向性，它区分了过去与未来。一个远非显然但又真真切切的事实是，这两个过程有着紧密的联系。我们生而年轻徐徐衰老死亡的理由，我们能回忆过去但不能追想将来的理由——所有这一切最终都能追溯到更广阔宇宙的演化，尤其是宇宙最初在140亿年前的大爆炸之后不久的状态。

传统上人们的想法正好相反。认为世界遵循目的论的想象曾盛行一时——也就是认为它被导向某个未来的目标。但将它看成始源论（ekinological）的话会更好。Ekinological这个词来自希腊语εκκίνηση，意即“开端”或者“启程”。所有我们宇宙当前状态中有趣而复杂的事物，都能直接追溯到宇宙在起点附近的状态，我们每天的生活都是这个状态的结果。

这个有关宇宙的事实对于我们关于宏大图景的理解必不可少。我们观察周围的世界，用因果、理由、意图和目标来描述它。这些概念没有一个被包含在现实最深层的基本组成之中。当我们从微观层面拉远到日常生活的层面时，这些概念才会出现。我们似乎生活在一个充满因果的世界，但自然在深层次上的叙事却是冰冷的、拉普拉斯式的模式，要领会这样的原因，我们就要理解时间箭头。

要理解时间，可以从空间开始。在这里，也就是地球的表面上，如果你认为“上”和“下”两个方向有着本质性的区别，认为这种区别被深深地编织在了自然的构造之中的话，这是一个可以原谅的错误。在现实中，从物理定律的角度来说，所有方向生而平等。如果你是宇航员，在穿着宇航服进行舱外活动时，你不会觉察到太空中某个方向与另一个方向有什么不同。之所以对我们来说上和下有着明显的区别，不是因为空间的本性，而是因为我们生活在一个对我们影响巨大的物体的阴影之下，这个物体就是地球。

时间也是如此。在日常世界中，时间箭头的存在一目了然，而认为过去与未来之间有着本质区别也是一个可以原谅的错误。在现实中，时间的两个方向生而平等。之所以过去与未来之间有着明显的区别，不是因为时间的本性，而是因为我们生活在一个对我们影响巨大的事件的余波中，那就是大爆炸。

还记得伽利略和动量守恒么：当我们忽略摩擦以及其他麻烦的作用，只考虑孤立体系的话，物理会变得很简单。好了，我们现在来考虑一个前后摇摆的单摆，为了方便，我们想象这个单摆处于密封的真空室中，里边没有空气阻力。现在有人录制了单摆摆动的录像，将它放映给你看。你看了觉得不过如此，因为你早就见过单摆了。然后对方揭露了惊人的内幕：他们实际上是将录像倒着放映的。你没有留意到这一点，因为逆着时间的摆动单摆与顺着时间的看上去如出一辙。

这是一个非常普适的原理之中的一个简单例子。对于某个系统来说，它依据物理定律顺着时间演化的每种方式，都有另一种可行的演化方式，就是“让系统逆着时间运转”。在现实背后的定律中，没有什么东西规定事物的演化只能沿着一个方向而不是另一个。在我们最确切的理解中，物理中的运动是可逆的。时间的两个方向殊无二致。

对于简单系统来说，这似乎很合理，无论是单摆还是环绕太阳公转的行星，或者是光滑平面上滑动的冰球。但当我们思考复杂的宏观系统时，所有经验都告诉我们，有些事情在时间从过去迈向未来时会发生，但却不会发生在相反的方向上。我们可以打开鸡蛋并将它搅匀，但搅匀了的鸡蛋不能重新把蛋白和蛋清分开，打开的鸡蛋也不能复原；香水会在房间中弥散，但永远不会重新全部回到原来的瓶子里；牛奶和咖啡可以交融，但不会自行分离。如果过去和未来之间有我们假想中的对称性，那么为什么这么多日常发生的过程只能前进不能逆转？

我们发现，即使对于那些复杂的过程，也存在完美符合物理定律的逆向过程。打碎的鸡蛋可以复原，扩散的香水可以回到瓶子里，牛奶和咖啡能自行分离。我们要做的，就是在我们关心的系统（以及与它相互作用的所有东西）中，想象每一个粒子的运动轨迹的逆转。这些逆向过程没有一个会违背物理定律——虽然它们极不可能发生。真正的问题不是为什么我们从来没有见到打碎的鸡蛋在未来复原，而是为什么我们在过去会看到完整的鸡蛋。

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我们对这些问题最基本的理解是由19世纪的一群科学家首次拼织起来的，他们发明了一个叫统计力学的新领域。他们的领军人物之一是奥地利科学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann），正是他将熵这个在热力学和不可逆过程研究中被认为占有核心地位的概念，与原子构成的微观世界调和起来的。

在玻尔兹曼之前，人们对熵的理解就是类似蒸汽机的机器在效率上的缺失，这种想法曾风行一时。每当你想通过燃烧燃料来做功，比如说拖曳车辆时，能量总会有一部分以热量的形式浪费掉。熵可以被当作这种效率缺失的一种度量方式；释放的废热越多，产生的熵也越多。无论你怎么做，产生的熵的总量总是正的：你可以造一台冰箱来进行冷却，但代价是在背后释放出更多的热量。这样的理解被归纳为热力学第二定律：封闭系统的熵总量从不下降，只会随着时间流逝保持恒定或者增加。

玻尔兹曼和他的同事论证了，我们可以将熵理解为不同系统中原子排列的特征。与其将热量和熵看成不同种类而遵循各自法则的东西，不如将它们看成原子构成的系统中不同的属性，然后从适用于天地万物的牛顿力学开始，推导出它们遵循的规律。换句话说，热量和熵实际上是有关原子的实用描述方式。

玻尔兹曼关键的洞察在于，当我们观察一只鸡蛋或者一杯刚加了牛奶的咖啡时，我们实际上看不到组成它们的单个原子和分子。我们看到的只是某种可观察的宏观特征。原子有数不胜数的排列方式可以得到完全相同的宏观表现。可观察的特征带给我们的只是系统具体状态的粗略概括。在这个基础上，玻尔兹曼提出可以将系统的熵看成跟系统现在的状态在宏观上无法辨别的不同状态的个数（精确地说，熵是宏观上不可辨别的状态个数的对数，但我们不需要关心这个数学上的细节）。低熵的构形意味着只有相对较少的状态跟它看起来一样，而高熵的构形则对应着许多不同的可能状态。有许许多多排列咖啡与牛奶分子的方法可以使它们看上去像是混合在了一起；牛奶在上咖啡在下的排列方法却相对而言少之又少。

一旦手握玻尔兹曼的定义，熵倾向于随着时间流逝而增加就变得非常合理了。理由很简单：高熵状态比低熵状态多得多。如果从低熵的状态开始就这样演化，在几乎所有的演化方向上，熵都几乎不可能不增加。当系统的熵达到最高的可能值时，我们就说系统处于平衡态。在平衡态中，时间没有箭头。

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玻尔兹曼成功地解释了为什么已知今天宇宙的熵可以推断出明天的熵很有可能会更高。问题在于，因为牛顿力学的基本规律并不区分过去与未来，同样的分析也会预言昨天的熵更高。没有人认为过去的熵更高，所以我们的图景中还有一部分需要补充。

需要补充的内容是关于可观测宇宙初始状态的一个假定，就是宇宙以前曾处于熵非常低的状态。哲学家大卫·阿尔伯特（David Albert）将这个假定称为过去假设（Past Hypothesis）。这个假定加上另一个（弱得多的）假定——这个初始状态没有经过微调使得熵随着时间减少——所有事情就都变得顺理成章了。昨天的熵比今天低，理由很简单：因为前天的熵还要更低，而这又是因为再之前的熵还要再低。同样的论证可以一步一步向过去追溯到整整140亿年前，一直到大爆炸。它可能是也可能不是空间和时间的绝对起点，但它一定是我们能观察到的那部分宇宙的起点。所以说，时间箭头的起源是始源论的：它产生于遥远过去的一个特殊状态。

没有人确切知道为什么早期宇宙的熵会这么低。这是我们这个世界的众多特征之一，这些特征可能有深层的解释仍待发现，也有可能就是我们需要学会接受的现实。

我们所知道的，就是初始状态的低熵导致了“热力学上的”时间箭头，它的内容就是熵在过去更低而在未来更高。令人惊奇的是，熵的这个性质似乎导致了所有我们知道的过去与未来之间的差异。记忆、衰老、原因和结果——所有这些都能追溯到热力学第二定律，特别是熵在过去曾经更低的事实。