關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
物理學家通常將我們居住的宇宙結構描述為四維時空，包括三個空間維度和一個時間維度。但是，雖然我們每天可以在空間中隨意朝任何方向移動（在重力和固體障礙物的允許下），但時間卻推著我們前進，無論我們是否願意，都朝著一個預定的方向：走向未來。
這就是時間之箭——生命將我們從過去帶向現在，再到未來。 回到未來 的情節暫且不論，沒有人知道如何逆轉時間之箭——如何及時倒流——以及這種回到過去的旅行將導致的邏輯悖論，充其量也只是一個棘手的問題。（感謝狹義相對論的一個名為 時間膨脹 的預測，前往遙遠的未來相對容易：只需非常非常快地移動。）
在他的新書 從永恆到此處 (Dutton, 2010) 中，加州理工學院的理論物理學家 肖恩·卡羅爾 著手解釋為什麼時間總是堅定不移地朝著一個方向前進。 在擴充套件他在 2008 年 6 月為大眾科學撰寫的專題文章 “時間之箭的宇宙起源” 中的概念時，卡羅爾主張必須將時間、熵和宇宙學這三個看似截然不同的概念結合起來。
熵，粗略地說，是對系統無序程度的衡量，隨著時間的推移而增加，這由熱力學第二定律決定。 為了說明熵不可阻擋的增長，卡羅爾將我們帶到餐桌旁——他指出，你無法將炒蛋恢復原狀，也無法將牛奶從咖啡中取出。 這些系統總是會變成無序或高熵的排列。 這些例子都表明，熵的持續增長如何使世界充滿不可逆轉的過程，從而將過去與未來區分開來：製作煎蛋卷和將牛奶混合到一杯咖啡中都是僅在一個時間方向上起作用的事件。
但是為什麼熵應該總是增加呢？ 這就是卡羅爾轉向宇宙學的地方，宇宙學必須解釋為什麼宇宙開始於獨特的低熵狀態。 我們與這位物理學家談論了他的新書以及向廣大讀者介紹前沿物理學的挑戰。
[以下是採訪的編輯稿。]
時間有什麼有趣的？ 對於一個天真的觀察者來說，時間就是這樣流逝，我們對此無能為力；它是永恆不變的。
有兩件事啟發我寫這本書。 一是時間是我們都熟悉的東西。 我們都在使用它——我們閱讀手錶沒有問題。 但是，當您像一個優秀的科學家或哲學家一樣嘗試理解它時，這個謎題就出現了：物理學的基本定律將過去和未來 [視為] 完全相同，而世界並非如此。 存在很大的差異——過去已經發生，而未來仍然是未知的。 因此，如果能知道如何調和這一點就好了。 這就是時間之箭問題，至少在幾百年以來人們一直在思考這個問題。
我認為這是一個重要且有趣的問題，而且寫它與寫其他任何東西一樣好。 但是，我認為有一件事使這個問題有點特殊，那就是過去與未來的不同之處的答案，無論最終結果如何，都不僅僅是關於你我和我交談時發生的事情，就像時間在我們日常生活中流逝一樣。 它與整個宇宙息息相關——與宇宙大爆炸時發生的事情，與我們宇宙開始時的特殊條件息息相關。
要充分理解我們日常生活中發生的事情，需要考慮到宇宙大爆炸時發生的事情。 這不僅本質上很有趣，而且令人感到很酷，而且對於工作科學家來說，這是一個沒有受到太多關注的謎；它有點被低估了。 我們離知道最終答案還很遠，以至於我們有點不太考慮它。 因此，我想引起人們對時間之箭與宇宙學之間聯絡的關注，不僅是對普通讀者，而且也對我的科學界朋友。 我認為這是我們真正應該牢記的現代科學麵臨的基本難題之一。
作為一名普通讀者，我欣賞各章節開頭的引語，這些引語來自 安妮·霍爾、弗拉基米爾·納博科夫、 阿呆與阿瓜。 試圖保持這本書的可讀性和趣味性有多大的挑戰？
我盡了最大的努力，我認為我在某些地方比其他地方更成功。 很多材料與我研究的內容不太一樣，所以我不得不學習很多，並思考我模糊意識到的事情已經有一段時間了。 我實際上認為，我比那些我最理解的部分更能讓這些部分生動有趣且易於理解。 因為我知道我必須坐下來非常非常認真地思考它；我不能只是給出我通常的解釋。
好訊息是，除了少數關於量子力學和多元宇宙的事情外，大多數基本思想都非常容易理解。 它們不是非常抽象的；我們不是在高維度或類似的東西中工作。 你可以看到我們正在談論的基本思想如何在日常生活中運作。
我堅信科學是更大的文化事物的一部分。 科學並非孤立存在。 因此，我絕對想表達這樣一種感覺，即當我們思考宇宙、空間、時間、經驗、記憶、自由意志以及我在書中談到的所有這些事物時，這既是科學，又是我們的日常生活，又是我們所處的文化，所以為什麼不找點樂子並將它們結合在一起呢？
回到科學，熵的概念如何與時間之箭交織在一起？
嗯，我認為人們可能聽說過“熵”這個詞。 它會增加；這就是熱力學第二定律。 有一個著名的——至少在科學家中很著名的——關於 [英國小說家和物理學家] C. P. 斯諾的軼事，他試圖說服人們，他們不僅應該精通文學，還應該精通科學。 而斯諾選擇的一個每個人都應該知道的例子是熱力學第二定律，即熵增加定律。
這是真的，我相信這是一個很好的例子，但我認為實際上被低估的是，關於時間之箭的一切——我們會認為“時間如何運作”、“過去已成定局，而未來仍然可以改變”——都是因為熵。 你可以記住昨天但不能記住明天，這是因為熵。 你總是年輕時出生，然後變老，而不是像 本傑明·巴頓那樣倒著變老——這一切都是因為熵。 因此，我認為熵作為在我們的生活中起著至關重要作用的東西被低估了。
在書中，你有一個坦誠的時刻，你談到一位資深的、匿名的物理學家對你關於時間和第二定律的理論有一些抱怨。
他的反對意見是關於宇宙學與此有關的想法。
以下說法非常正確：要理解熱力學第二定律，或者時間之箭如何在我們的日常生活中運作，我們根本不需要談論宇宙學。 如果你拿起一本關於統計力學的教科書，裡面根本不會談論宇宙學。 因此，說我們需要理解宇宙大爆炸才能使用熱力學第二定律，才能知道它是如何運作的，這是不正確的。 問題是，要理解它為什麼存在，就需要了解宇宙學以及宇宙大爆炸時發生的事情。
一旦你假設宇宙由於某種原因具有低熵，那麼其他一切都會隨之而來，而這就是我們在教科書中經常談論的內容。 但是我們的雄心壯志不止於此。 我們想了解為什麼會這樣——為什麼昨天的熵比今天的熵低？
要理解為什麼昨天的熵較低，確實需要宇宙學。 而且我認為，如果你坐下來仔細思考，就絕對毫無疑問這是真的，但很多人仍然不太接受它。
如果你採用這種方法並從宇宙學的角度看待時間，那麼過去的這種低熵狀態是什麼？ 它看起來像什麼？
透過這個觀察，我們並沒有學到任何關於早期宇宙的東西。 我們已經知道早期宇宙是什麼樣的了。 它是平滑的，它在快速膨脹，它是一個稠密、高溫的狀態，而且宇宙中有很多物質。 現在，這恰好是宇宙可能處於的非常低熵的配置，而這才是難題。 因此，我們並不是在瞭解早期宇宙是什麼樣的，因為我們已經知道了——而是為了試圖解釋它，為了提出一個理論，無論是暴脹還是迴圈宇宙，還是 大反彈，除非你解釋了為什麼它具有低熵，否則你就沒有成功地解釋早期宇宙。 而且我只是認為，大量的當代宇宙學理論未能滿足這一要求；它們以某種方式迴避了這個問題，而不是正面解決它。
這些不同的理論是否會根據我們對時間和熵的理解做出我們可以檢驗的預測？
目前還沒有。 我們希望他們能做到。 我只能說希望他們能做到。 我在本書的後記中談到了這一點。
一方面，如果這些想法與觀察到的事物沒有聯絡，那麼談論它們就沒有用處。 但這與說因為我們現在無法將它們與可觀察的預測聯絡起來，所以談論它們就沒有用處是不同的。 這是一個更大的圖景的一部分——我們必須在能夠明確地說出這些問題的正確答案是什麼之前，理解量子力學和引力如何相互作用。