關於支援科學新聞報道
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報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
物理學家在時間上遇到了問題。
無論是透過牛頓的萬有引力、麥克斯韋的電動力學、愛因斯坦的狹義和廣義相對論還是量子力學，所有最能描述我們宇宙的方程，如果時間向前或向後流動，都能完美地工作。
當然，我們體驗到的世界完全不同。宇宙正在膨脹，而不是收縮。恆星發射光而不是吸收光，放射性原子衰變而不是重新組合。煎蛋卷不會變回完整的雞蛋，香菸也永遠不會從煙霧和灰燼中重新結合。我們記得過去，而不是未來，我們變老衰弱，而不是年輕和恢復活力。對我們來說，時間有一個清晰且不可逆轉的方向。它像導彈一樣向前飛逝，管它方程怎麼說。
一個多世紀以來，對於“時間之箭”的標準解釋（天體物理學家亞瑟·愛丁頓於 1927 年首次提出這個術語）一直是熱力學的一種湧現性質，正如 19 世紀奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼的著作中首次闡述的那樣。在這種觀點中，我們感知為時間之箭的實際上只是高度有序狀態不可避免地重新排列成隨機、無用的配置，這是所有事物都傾向於相互達到平衡的普遍趨勢的產物。
非正式地說，這個想法的關鍵是“事物會分崩離析”，但更正式地說，這是熱力學第二定律的結果，玻爾茲曼幫助設計了該定律。該定律指出，在任何封閉系統（如宇宙本身）中，熵——無序度——只能增加。熵的增加是宇宙的必然，因為對於任何給定的系統，無序狀態總是比有序狀態多得多，類似於將紙張散落在桌子上比將它們整齊地堆成一堆的方式要多得多。
熱力學時間之箭表明，我們可觀測的宇宙開始於一個異常特殊的、高度有序和低熵的狀態，就像一個原始的宇宙蛋在時間開始時顯現出來，永遠被打破和打亂一樣。從玻爾茲曼時代開始，對這種完美無瑕的起源概念過敏的科學家們一直在努力解決這個難題。
玻爾茲曼相信宇宙根據牛頓定律是永恆的，他認為永恆可以解釋時間之箭的低熵起源。如果有足夠的時間——實際上是無限的時間——任何可能發生的事情都會發生，包括從一個永恆的、高熵宇宙中，以統計漲落的形式湧現出一個非常低熵的大區域，該宇宙處於接近平衡的狀態。玻爾茲曼推測，我們可能就生活在這樣一個不大可能的區域中，時間之箭是由該區域緩慢而漫長的熵滑回到平衡狀態所設定的。
今天的宇宙學家面臨著更艱鉅的任務，因為我們現在所知的宇宙並非永恆不變：他們必須在一個動態的、相對論的宇宙中解釋時間之箭的出現，這個宇宙顯然始於大約 140 億年前的宇宙大爆炸的猛烈爆發。通常，解釋涉及“微調”——對理論引數進行仔細和任意的調整，以符合觀測結果。
許多現代對低熵時間之箭的解釋都涉及一種稱為暴脹的理論——這種觀點認為，一種奇怪的反重力爆發將原始宇宙膨脹到天文數字般的大小，將其平滑化，使其對應於一個非常低熵的狀態，隨後的宇宙結構可以從中湧現。但是，解釋暴脹本身似乎需要更多的微調。問題之一是，一旦開始，暴脹往往會無法阻止地持續下去。這種“永恆暴脹”會產生無數個嬰兒宇宙，關於這些宇宙的預測和觀測充其量是難以捉摸的。這到底是理論中不受歡迎的缺陷還是美妙的特徵，這是一個激烈的爭論問題；目前看來，暴脹的極端靈活性和解釋力既是它最大的優勢，也是它最大的弱點。
由於所有這些原因，一些尋求時間之箭的低熵起源的科學家發現依賴暴脹的解釋略有不足。“現在有許多研究人員試圖以某種自然的方式表明，期望宇宙的初始熵非常低是合理的，”哥倫比亞大學的哲學家和物理學家大衛·阿爾伯特說。“甚至有些人認為，宇宙開始時的低熵應該僅僅作為物理學的新定律新增進去。”
後一種想法相當於絕望的宇宙學家只是舉手投降。幸運的是，可能還有另一種方法。
牛津大學的朱利安·巴伯、新不倫瑞克大學的蒂姆·科斯洛夫斯基和圓周理論物理研究所的弗拉維奧·梅爾卡蒂的初步新工作表明，時間之箭可能根本不需要經過微調的低熵初始狀態，而是基本物理定律的必然產物。巴伯和他的同事認為，是引力，而不是熱力學，拉開了弓弦，讓時間之箭飛逝。他們的研究結果於 10 月發表在《物理評論快報》上。
該團隊的結論來自對我們宇宙的一個極其簡單的替代物的研究，這是一個在牛頓引力影響下相互作用的 1000 個點狀粒子的計算機模擬。他們使用衡量系統“複雜性”的指標來研究系統的動態行為，該指標對應於系統最接近的一對粒子之間的距離與最分散的粒子對之間的距離之比。當所有粒子聚集在一個密集堆積的雲中時，系統的複雜性最低，這是一種最小尺寸和最大均勻性的狀態，大致類似於宇宙大爆炸。該團隊的分析表明，基本上每個粒子配置，無論其數量和規模如何，都會演變成這種低複雜性狀態。因此，引力的巨大力量為系統的膨脹和時間之箭的起源奠定了基礎，所有這些都無需任何精細的微調來首先建立低熵初始條件。
從那個低複雜性狀態開始，粒子系統然後在兩個時間方向上向外膨脹，產生兩個不同的、對稱的和相反的時間之箭。沿著兩條時間路徑中的每一條，引力然後將粒子拉入更大、更有序和更復雜的結構中——模型的等效物是星系團、恆星和行星系統。從那裡，標準的熱力學時間程序可以在兩條不同的路徑中的每一條上顯現和展開。換句話說，該模型有一個過去，但有兩個未來。正如時間無關的物理定律所暗示的那樣，時間之箭可能在某種意義上向兩個方向移動，儘管任何觀察者只能看到和體驗到一個方向。“引力的本質是將宇宙從其原始混沌中拉出來，創造結構、秩序和複雜性，”梅爾卡蒂說。“所有解都分為兩個時期，這兩個時期在兩個時間方向上永遠持續下去，由這個具有非常特徵性質的中心狀態分隔開。”
儘管該模型很粗糙，並且沒有結合量子力學或廣義相對論，但其潛在的含義是巨大的。如果它對我們實際的宇宙成立，那麼宇宙大爆炸可能不再被視為宇宙的開端，而僅僅是實際上永恆和無限宇宙中的一個階段。更平淡地說，雙分支的時間之箭將給對面側的觀察者帶來奇怪的不協調。“這種雙未來情況將在兩個方向上都表現出單一的、混亂的過去，這意味著基本上會有兩個宇宙，一個在這個中心狀態的每一側，”巴伯說。“如果它們足夠複雜，雙方都可以維持觀察者，這些觀察者會感知到時間朝相反的方向流動。那裡的任何智慧生物都會將他們的時間之箭定義為遠離這個中心狀態。他們會認為我們現在生活在他們最深的過去。”
更重要的是，巴伯說，如果引力確實被證明是時間之箭的基礎，這可能遲早會產生可檢驗的預測，並可能導致對我們可觀測宇宙的歷史和結構做出比暴脹更少“特設”的解釋。
這不是時間之箭的第一個嚴格的雙未來解決方案。最值得注意的是，加州理工學院的宇宙學家肖恩·卡羅爾和一位研究生詹妮弗·陳在 2004 年提出了他們自己的分支模型，該模型試圖在宇宙暴脹和嬰兒宇宙的創造的背景下解釋時間之箭的低熵起源。他們將時間之箭在他們模型中的出現歸因於熵在過去非常低，而不是熵在兩個未來都高得多，這是由暴脹驅動的嬰兒宇宙的創造增加的。
十年後，卡羅爾仍然像以前一樣看好僅僅增加熵是時間之箭的來源的前景，而不是其他諸如引力之類的影響。“宇宙中發生的一切區分過去和未來的事情最終都是因為熵在一個方向上較低，而在另一個方向上較高，”卡羅爾說。“巴伯、科斯洛夫斯基和梅爾卡蒂的這篇論文很好，因為他們捲起袖子，對他們特定的透過引力相互作用的粒子模型進行了計算，但我認為有趣的不是這個模型——而是對模型的行為進行了仔細分析……。我認為基本上任何時候你有一個有限的粒子集合在一個非常大的空間中，你都會得到他們描述的這種通用行為。真正的問題是，我們的宇宙是這樣的嗎？這是困難的部分。”
卡羅爾現在正與麻省理工學院的宇宙學家艾倫·古思合作，後者是暴脹理論的先驅，對引力時間之箭的新主張做出某種熱力學回應：另一個極其簡單的基於粒子的模型宇宙，它也自然而然地產生了時間之箭，但沒有新增引力或任何其他力。他們說，該模型成功的熱力學秘密在於假設宇宙具有無限的熵容量。
“如果我們假設宇宙沒有最大可能的熵，那麼任何狀態都可能是一個低熵狀態，”古思說。“這聽起來可能很愚蠢，但我認為它確實有效，而且我也認為這是巴伯等人構建的秘密。如果熵可以變得多大沒有限制，那麼你可以從任何地方開始，並且從那個起點，你會期望熵隨著系統移動到探索越來越大的相空間區域而上升。永恆暴脹是在其中呼叫這個想法的自然背景，因為它看起來在永恆暴脹的宇宙中，最大可能的熵是無限的。”
自 19 世紀玻爾茲曼的思想和 20 世紀愛丁頓的觀念以來，關於時間之箭的爭論已經走了很遠，但在許多方面，巴伯說，這場辯論的核心仍然是恰如其分地永恆的。“這正在開闢一種全新的方式來思考一個基本問題，即時間之箭的本質和熱力學第二定律的起源，”巴伯說。“但實際上我們只是在研究牛頓引力的一個新方面，這個方面以前沒有被注意到。誰知道透過進一步的工作和闡述會產生什麼呢？”
“亞瑟·愛丁頓創造了‘時間之箭’這個術語，並著名地說，物質和能量的洗牌是自然界唯一無法撤銷的事情，”巴伯補充道。“而我們在這裡，真正毫無疑問地表明，這實際上正是引力所做的。它使看起來非常無序的系統變得非常有序。而這正是我們宇宙中發生的事情。我們正在實現古希臘人從混沌中產生秩序的夢想。”