物理學家經常將我們居住的宇宙結構描述為四維時空，它由三個空間維度和一個時間維度組成。然而，雖然我們可以隨意地在空間中向任何方向穿梭（在重力和固體障礙物允許的情況下），但時間卻推動著我們，無論我們是否願意，都朝著一個預定的方向前進：走向未來。
這就是時間之箭——生命將我們從過去帶到當下，再到未來。《回到未來》的情節雖然引人入勝，但沒有人知道如何逆轉時間之箭——如何及時倒流——而且從過去旅行可能導致的邏輯悖論，充其量也使其成為一個棘手的問題。（由於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：只需移動得非常非常快。）
在他 2010 年出版的著作《從永恆到此地》中，加州理工學院的理論物理學家肖恩·M·卡羅爾著手解釋為什麼時間會堅定不移地朝著一個方向前進。卡羅爾認為，有必要將三個看似無關的概念結合起來：時間、熵和宇宙學。
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熵，粗略地說，是衡量系統無序程度的指標，它會隨著時間的推移而增加，正如熱力學第二定律所規定的那樣。為了說明熵的不可阻擋的增長，卡羅爾將我們帶到早餐桌旁——他指出，你無法將雞蛋恢復原狀，也無法將牛奶從咖啡中分離出來。這些系統總是不可避免地走向無序或高熵的排列。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，這些過程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，為什麼熵總是會增加呢？這就是卡羅爾轉向宇宙學的地方，宇宙學必須解釋在熾熱、稠密的大爆炸中發生了什麼，甚至在宇宙開始之前發生了什麼。
我們與這位物理學家談論了他的書以及向廣大讀者介紹前沿物理學的挑戰。卡羅爾認為，現在是成為理論物理學家特別令人興奮的時代。宇宙學領域湧現出大量新資料，粒子加速器和其他地方正在進行新的實驗。
時間有什麼有趣的？對於一個天真的觀察者來說，時間只是流逝的東西，我們對此無能為力；它是永恆不變的。
有兩件事啟發了我寫這本書。一件事情是時間是我們所有人都熟悉的東西。我們都在使用它——我們閱讀手錶沒有任何問題。但是，當你像一個優秀的科學家或哲學家一樣，試圖理解它時，這個謎題就出現了：基本的物理定律將過去和未來視為完全相同，而世界卻並非如此。存在很大的差異——過去已經發生，而未來仍然充滿變數。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，至少已經被思考了數百年。
我認為這是一個重要且有趣的問題，它與任何其他問題一樣值得書寫。但我認為，有些東西使這個問題有點特別，那就是過去與未來不同的答案，無論最終結果如何，都不僅僅是關於你我和我正在談話時，在我們日常生活中時間流逝時這裡發生的事情。它與整個宇宙息息相關——與大爆炸中發生的事情，與宇宙開始時的特殊條件有關。
要充分理解我們日常生活中發生的事情，就需要考慮到大爆炸中發生的事情。這不僅本身就很有趣，而且想想也很酷，而且這是一個沒有受到工作科學家太多關注的謎團；它有點被低估了。我們離知道最終答案還很遠，以至於我們有點不考慮它。因此，我想引起人們對時間之箭和宇宙學之間聯絡的關注，既針對普通讀者，也針對我的科學朋友。我認為這是我們現代科學麵臨的基本難題之一，我們真的應該牢記這一點。
作為一名普通讀者，我很欣賞各章節的引言，它們分別來自《安妮·霍爾》、弗拉基米爾·納博科夫、《阿呆與阿瓜》。要盡力使這本書通俗易懂且引人入勝，這有多大的挑戰？
我盡了最大的努力，我認為我在某些方面比其他方面更成功。很多材料與我研究的內容並不完全一致，所以我不得不學習很多東西，並思考一段時間以來我隱約意識到的事情。我實際上認為，我更擅長使那些部分生動有趣且通俗易懂，而不是我最瞭解的部分。因為我知道我必須坐下來非常非常認真地思考它；我不能只是給出我的傳統說辭。
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。它們並非極其抽象；我們不是在更高的維度中工作或做任何類似的事情。你可以看到我們正在談論的基本思想在日常生活中是如何運作的。
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，我絕對想給人一種感覺，即當我們思考宇宙、空間和時間、經驗和記憶以及自由意志，以及我在書中談到的所有這些事情時，這就是科學，以及我們的日常生活，以及我們所處的文化，那麼為什麼不找點樂子並將它們結合起來呢？
回到科學上來，熵的概念是如何與時間之箭交織在一起的？
我認為人們可能聽說過“熵”這個詞。熵是增加的；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——與[英國小說家和物理學家] C. P. 斯諾有關的事件，他試圖說服人們，他們不僅應該精通文學，還應該精通科學。斯諾選擇的每個人都應該知道的一個例子是熱力學第二定律，即熵增加的定律。
星暴：這張藝術家概念圖展示了宇宙在其第一批恆星誕生後的景象。圖片來源：NASA/JPL-Caltech 和 R. Hurt SSC
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——我們認為的“時間如何運作”，即過去已成定局，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。你總是生來年輕，然後變老，而不是像《本傑明·巴頓》那樣倒過來——這一切都是因為熵。因此，我認為熵作為在我們生活中起著至關重要作用的東西而被低估了。
在書中，你有一個坦誠的時刻，你談到了一位資深的、匿名的物理學家，他對你關於時間和第二定律的理論提出了一些抱怨。
他的反對意見是關於宇宙學與此相關的想法。
以下說法非常正確：要理解熱力學第二定律，或時間之箭在我們日常生活中的運作方式，我們永遠不需要談論宇宙學。如果你拿起一本統計力學教科書，裡面根本不會談論宇宙學。因此，如果說我們需要理解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，那是不正確的。問題是：要理解它為什麼會存在，就需要了解宇宙學以及大爆炸中發生了什麼。
一旦你假設宇宙出於某種原因具有低熵，那麼一切都會隨之而來，而這正是我們在教科書中談論的所有內容。但我們的目標比這更雄心勃勃。我們想理解為什麼會這樣——為什麼昨天的熵比今天的低？
要理解為什麼昨天的熵較低，確實需要宇宙學。如果你坐下來仔細思考，毫無疑問這是真的，儘管很多人還不完全接受它。
如果你採取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樣的？它看起來像什麼？
我們並沒有透過觀察來了解早期宇宙的任何資訊。我們已經知道早期宇宙是什麼樣的了。它是平滑的；它正在迅速膨脹；它處於一種稠密、熾熱的狀態；並且其中有很多物質。現在，這恰好是宇宙可能處於的非常低的熵配置，而這才是謎題。因此，我們不是在瞭解早期宇宙是什麼樣的，因為我們已經知道了——而是試圖解釋它，試圖提出一個理論，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，否則你還沒有成功地解釋早期宇宙。我只是認為，大量的當代宇宙學理論都未能滿足這一要求；他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？
尚未。我們希望它們會。我只能說我希望它們會。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，這不同。這是更大圖景的一部分——我們必須在希望明確地說出這些問題的正確答案之前，先了解量子力學和引力是如何相互作用的。