宇宙看起來不太對勁。考慮到宇宙學家幾乎沒有比較標準，這似乎是一件奇怪的事情。我們如何知道宇宙應該是什麼樣子？儘管如此，多年來，我們已經形成了對什麼是“自然”的強烈直覺——而我們看到的宇宙並不符合條件。
不要誤會：宇宙學家已經拼湊出一幅令人難以置信的成功圖景，描繪了宇宙是由什麼構成的以及它是如何演化的。大約140億年前，宇宙比恆星內部更熱更稠密，從那時起，隨著空間結構的膨脹，宇宙一直在冷卻和稀疏。這幅圖景解釋了我們所做的幾乎所有觀測，但許多不尋常的特徵，尤其是在早期宇宙中，表明故事還有我們不理解的更多內容。
在宇宙不自然的方面中，時間不對稱性最為突出。構成宇宙行為的微觀物理定律不區分過去和未來，然而早期宇宙——熱、稠密、均勻——與今天的宇宙——冷、稀疏、塊狀——完全不同。宇宙開始時是有序的，此後變得越來越無序。時間的不對稱性，即從過去指向未來的箭頭，在我們日常生活中起著不可磨滅的作用：它解釋了為什麼我們不能把煎蛋卷變成雞蛋，為什麼冰塊永遠不會在一杯水中自發融化，以及為什麼我們記得過去但不記得未來。我們所經歷的不對稱性的起源可以追溯到宇宙在大爆炸附近的有序性。每次你打碎雞蛋，你都在進行觀測宇宙學。
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時間之箭可以說是宇宙學家目前完全無法解釋的最明顯的特徵。然而，越來越多地，關於我們觀察到的宇宙的這個謎題暗示了我們未觀察到的更大時空的存在。它為我們是多元宇宙的一部分這一概念增加了支援，多元宇宙的動力學有助於解釋我們區域性區域看似不自然的特徵。
熵之謎
物理學家將時間不對稱性的概念概括在著名的熱力學第二定律中：封閉系統中的熵永遠不會減少。粗略地說，熵是系統無序程度的度量。在19世紀，奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼用物體的微觀狀態和宏觀狀態之間的區別來解釋熵。如果有人讓你描述一杯咖啡，你很可能會提到它的宏觀狀態——它的溫度、壓力和其他整體特徵。另一方面，微觀狀態指定了液體中每個原子的精確位置和速度。許多不同的微觀狀態對應於任何一個特定的宏觀狀態：我們可以移動一個原子到這裡或那裡，而沒有人會在宏觀尺度上注意到。
熵是對應於相同宏觀狀態的不同微觀狀態的數量。（技術上，它是該數字的位數或對數。）因此，將給定數量的原子排列成高熵構型的方式多於排列成低熵構型的方式。想象一下你把牛奶倒入咖啡中。有很多方法可以分佈分子，使牛奶和咖啡完全混合在一起，但相對較少的方法可以將它們排列成牛奶與周圍咖啡隔離的狀態。因此，混合物的熵更高。
從這個角度來看，熵隨著時間推移而增加並不奇怪。高熵狀態的數量遠遠超過低熵狀態；幾乎任何對系統的改變都會使其進入更高的熵狀態，這僅僅是運氣使然。這就是為什麼牛奶會與咖啡混合，但永遠不會分離。儘管所有牛奶分子在物理上都有可能自發地排列在彼此旁邊，但這在統計學上非常不可能。如果你等待它在分子隨機重組的情況下自行發生，你通常必須等待比當前可觀測宇宙年齡更長的時間。時間之箭僅僅是系統趨於演化為眾多、自然的、高熵狀態之一的趨勢。
但是，解釋為什麼低熵狀態演化為高熵狀態與解釋為什麼熵在我們宇宙中增加是不同的。問題仍然存在：為什麼熵一開始就低？鑑於低熵狀態如此罕見，這似乎非常不自然。即使承認我們今天的宇宙具有中等熵，也不能解釋為什麼熵曾經更低。在所有可能演化成我們這樣宇宙的初始條件中，絕大多數都具有更高的熵，而不是更低的熵[參見戴維·萊澤的《時間之箭》；《大眾科學》，1975年12月]。
換句話說，真正的挑戰不是解釋為什麼宇宙的熵明天會比今天高，而是解釋為什麼熵昨天更低，甚至前天更低。我們可以將這種邏輯一直追溯到我們可觀測宇宙的時間開端。最終，時間不對稱性是宇宙學需要回答的問題。
空虛的混亂
早期宇宙是一個非凡的地方。構成我們當前觀測到的宇宙的所有粒子都被擠壓到一個極其熱、稠密的體積中。最重要的是，它們幾乎均勻地分佈在那個微小的體積中。平均而言，密度在不同地點之間的差異僅為十萬分之一左右。漸漸地，隨著宇宙的膨脹和冷卻，引力的拉力增強了這些差異。粒子稍微多一些的區域形成了恆星和星系，粒子稍微少一些的區域清空形成空洞。
顯然，引力對於宇宙的演化至關重要。不幸的是，當涉及引力時，我們並沒有完全理解熵。引力源於時空的形狀，但我們沒有關於時空的全面理論；那是量子引力理論的目標。正如我們可以將流體的熵與其構成成分分子的行為聯絡起來一樣，我們不知道是什麼構成了空間，因此我們不知道哪些引力微觀狀態對應於任何特定的宏觀狀態。
儘管如此，我們對熵如何演化有一個大致的瞭解。在引力可以忽略不計的情況下，例如一杯咖啡，粒子的均勻分佈具有高熵。這種情況是平衡狀態。即使粒子重新排列自身，它們也已經非常徹底地混合在一起，以至於宏觀上似乎沒有發生什麼大事。但是，如果引力很重要且體積固定，則平滑分佈具有相對較低的熵。在這種情況下，系統遠遠偏離平衡狀態。引力導致粒子聚集形成恆星和星系，熵顯著增加——與第二定律一致。
事實上，如果我們想在引力活躍時最大化體積的熵，我們知道我們會得到什麼：黑洞。在 20 世紀 70 年代，劍橋大學的斯蒂芬·霍金證實了耶路撒冷希伯來大學的雅各布·貝肯斯坦的一個挑釁性建議，即黑洞完全符合第二定律。就像最初制定第二定律來描述的熱物體一樣，黑洞會發出輻射並具有熵——大量的熵。一個百萬太陽質量的黑洞，例如位於我們銀河系中心的黑洞，其熵是可觀測宇宙中所有普通粒子的 100 倍。
最終，即使是黑洞也會透過發射霍金輻射而蒸發。黑洞不具有可能的最高熵——而只是可以裝入一定體積的最高熵。然而，宇宙中的空間體積似乎在無限增長。1998 年，天文學家發現宇宙膨脹正在加速。最直接的解釋是暗能量的存在，暗能量是一種即使在空曠空間中也存在的能量形式，並且似乎不會隨著宇宙膨脹而稀釋。這不是宇宙加速的唯一解釋，但提出更好想法的嘗試迄今為止都失敗了。
如果暗能量沒有被稀釋掉，宇宙將永遠膨脹。遙遠的星系將從視野中消失[參見勞倫斯·M·克勞斯和羅伯特·J·舍勒的《宇宙學的終結？》；《大眾科學》，3月]。那些沒有消失的星系將坍縮成黑洞，而黑洞又會像炎熱天氣下的水坑一樣蒸發到周圍的黑暗中。剩下的將是一個實際上空無一物的宇宙。只有到那時，宇宙才會真正達到其最大熵。宇宙將處於平衡狀態，並且永遠不會發生什麼大事。
空曠的空間具有如此巨大的熵，這可能看起來很奇怪。這聽起來像是說世界上最混亂的桌子是一張完全空曠的桌子。熵需要微觀狀態，乍一看，空曠的空間沒有任何微觀狀態。然而，實際上，空曠的空間擁有大量的微觀狀態——構建到空間結構中的量子引力微觀狀態。我們還不知道這些狀態究竟是什麼，就像我們不知道哪些微觀狀態解釋了黑洞的熵一樣，但我們確實知道，在加速膨脹的宇宙中，可觀測體積內的熵接近一個恆定值，該值與邊界的面積成正比。這是一個真正巨大的熵量，遠遠大於該體積內物質的熵。
過去與未來
這個故事最引人注目的特點是過去和未來之間明顯的差異。宇宙開始於非常低的熵狀態：粒子平滑地聚集在一起。它演化到中等熵狀態：我們今天看到的恆星和星系的不均勻分佈。它最終達到高熵狀態：幾乎空曠的空間，僅具有偶爾散落的低能量粒子。
為什麼過去和未來如此不同？僅僅假設一個初始條件理論——宇宙以低熵開始的原因——是不夠的。正如悉尼大學的哲學家休·普賴斯所指出的那樣，任何適用於初始條件的推理也應適用於最終條件，否則我們將犯下我們試圖證明的事情——過去是特殊的。我們要麼必須將時間深刻的不對稱性視為宇宙的一個直截了當的特徵，而無法解釋，要麼我們必須更深入地研究空間和時間的運作方式。
許多宇宙學家試圖將時間不對稱性歸因於宇宙暴脹過程。暴脹是對宇宙許多基本特徵的有吸引力的解釋。根據這個想法，極早期宇宙（或至少是其中一部分）填充的不是粒子，而是一種暫時的暗能量形式，其密度遠高於我們今天觀察到的暗能量。這種能量導致宇宙的膨脹以驚人的速度加速，之後它衰變成物質和輻射，留下了一絲暗能量，這絲暗能量今天再次變得重要。從平滑的原始氣體到星系及更遠的大爆炸的其餘故事，只是順理成章。
暴脹的最初動機是為早期宇宙中微調的條件提供強有力的解釋——特別是，廣泛分離區域中物質的顯著均勻密度。由暫時的暗能量驅動的加速幾乎完美地平滑了宇宙。物質和能量的先前分佈無關緊要；一旦暴脹開始，它就會消除先前條件的任何痕跡，給我們留下一個熱、稠密、平滑的早期宇宙。
暴脹正規化在許多方面都非常成功。它對與完美均勻性的輕微偏差的預測與宇宙中密度變化的觀測結果一致。然而，作為對時間不對稱性的解釋，宇宙學家越來越認為它有點像作弊，原因牛津大學的羅傑·彭羅斯和其他人已經強調過。為了使該過程按預期工作，超稠密暗能量必須以非常特定的配置開始。事實上，它的熵必須遠遠小於它衰變成的熱、稠密氣體的熵。這意味著暴脹並沒有真正解決任何問題：它透過呼叫更早的更低熵狀態（被超稠密暗能量支配的平滑空間區域）來“解釋”異常低的熵狀態（熱、稠密、均勻的氣體）。它只是將難題向後推了一步：為什麼暴脹會發生？
許多宇宙學家將暴脹作為時間不對稱性的一種解釋的原因之一是，暗能量的初始構型似乎並沒有那麼不可能。在暴脹時期，我們可觀測的宇宙直徑不到一釐米。直覺上，如此微小的區域沒有多少微觀狀態，因此宇宙意外地偶然進入與暴脹相對應的微觀狀態並非那麼不可能。
不幸的是，這種直覺具有誤導性。早期宇宙，即使它只有一釐米寬，也具有與今天整個可觀測宇宙完全相同的微觀狀態數量。根據量子力學規則，系統中的微觀狀態總數永遠不會改變。（熵增加不是因為微觀狀態的數量增加，而是因為系統自然而然地最終進入最通用的宏觀狀態。）事實上，早期宇宙與晚期宇宙是相同的物理系統。畢竟，一個演變成另一個。
在宇宙微觀狀態可以排列自身的所有不同方式中，只有極小一部分對應於填充在微小體積中的超稠密暗能量的平滑構型。暴脹開始的必要條件非常特殊，因此描述了一種非常低的熵構型。如果你要隨機選擇宇宙的構型，你將極不可能碰巧獲得啟動暴脹的正確條件。暴脹本身並不能解釋為什麼早期宇宙具有低熵；它只是從一開始就假定它存在。
時間對稱的宇宙
因此，暴脹無助於解釋為什麼過去與未來不同。一種大膽但簡單的策略是說：也許遙遠的過去畢竟與未來沒有不同。也許遙遠的過去，就像未來一樣，實際上是一種高熵狀態。如果是這樣，我們一直稱之為“早期宇宙”的熱、稠密狀態實際上並不是宇宙的真正開端，而只是其歷史階段之間的過渡狀態。
一些宇宙學家想象宇宙經歷了一次“反彈”。在此事件發生之前，空間正在收縮，但新的物理原理——量子引力、額外維度、弦理論或其他奇異現象——在最後一刻介入以拯救局面，而不是簡單地崩潰到無限密度的點，宇宙從另一邊出來進入了我們現在感知為大爆炸的狀態。雖然引人入勝，但反彈宇宙學並不能解釋時間之箭。要麼熵在先前的宇宙接近收縮時增加——在這種情況下，時間之箭無限延伸到過去——要麼熵在減少，在這種情況下，宇宙歷史的中間（在反彈時）發生了不自然的低熵條件。無論哪種方式，我們都再次迴避了為什麼我們稱之為大爆炸附近的熵很小的問題。
相反，讓我們假設宇宙始於高熵狀態，這是其最自然的狀態。空曠的空間是這種狀態的一個很好的候選者。像任何良好的高熵狀態一樣，空曠空間的趨勢是靜止不動，保持不變。因此，問題是：我們如何讓當前的宇宙脫離荒涼而靜止的時空？秘密可能在於暗能量的存在。
在暗能量存在的情況下，空曠的空間並非完全空曠。量子場的漲落產生非常低的溫度——遠低於今天宇宙的溫度，但仍然不是絕對零度。所有量子場都在這樣的宇宙中經歷偶爾的熱漲落。這意味著它不是完全靜止的；如果我們等待足夠長的時間，單個粒子甚至大量粒子集合將波動產生，然後再次消散到真空中。（這些是真實粒子，而不是空曠空間即使在沒有暗能量的情況下也包含的短壽命“虛”粒子。）
可以波動產生的物質中包括小塊超稠密暗能量。如果條件恰到好處，該區域可能會經歷暴脹並分裂出來形成一個獨立的宇宙——一個嬰兒宇宙。我們的宇宙可能是某個其他宇宙的後代。
從表面上看，這種情況與暴脹的標準解釋有些相似。在那裡，我們也假設一塊超稠密暗能量偶然出現，點燃了暴脹。不同之處在於起始條件的性質。在標準解釋中，該區域出現在狂野波動的宇宙中，其中絕大多數波動沒有產生任何類似暴脹的東西。宇宙似乎更可能直接波動進入熱大爆炸，從而完全繞過暴脹階段。事實上，就熵而言，宇宙甚至更可能直接波動進入我們今天看到的構型，從而繞過過去 140 億年的宇宙演化。
在我們新的情景中，先前存在的宇宙從未隨機波動；它處於非常特定的狀態：空曠的空間。該理論聲稱——並且有待證明——從這種先前存在的狀態創造像我們這樣的宇宙的最可能方式是經歷一段暴脹時期，而不是直接波動到那裡。換句話說，我們的宇宙是一種波動，但不是隨機波動。
Emit fo Worra (時間之箭的反向拼寫，故意為之)
芝加哥大學的詹妮弗·陳和我於 2004 年提出的這種情景，為我們可觀測宇宙中時間不對稱性的起源提供了一個具有啟發性的解決方案：我們只看到了大圖景的一小部分，而這個更大的舞臺是完全時間對稱的。熵可以透過創造新的嬰兒宇宙而無限增加。
最棒的是，這個故事可以正向和反向講述。想象一下，我們從某個特定時刻的空曠空間開始，並觀察它向未來和過去演化。（它雙向發展，因為我們沒有假定單向的時間之箭。）嬰兒宇宙在時間的兩個方向上波動產生，最終清空並孕育出它們自己的嬰兒。在超大尺度上，這樣的多元宇宙在統計上看起來關於時間是對稱的——過去和未來都將出現新的宇宙波動產生並無限增殖。它們中的每一個都將經歷時間之箭，但一半的箭頭的方向與另一半相反。
時間之箭方向相反的宇宙的想法可能看起來令人震驚。如果我們遇到來自這樣一個宇宙的人，他們會記得未來嗎？幸運的是，沒有這種會面的危險。在我們描述的情景中，時間似乎倒流的唯一地方是我們過去非常遙遠的地方——遠在我們的大爆炸之前。中間是廣闊的宇宙空間，其中時間似乎根本沒有執行；幾乎沒有物質存在，熵也沒有演化。任何生活在這些時間倒流區域的生物都不會老著出生，年輕著死去——或其他任何異常的事情。對他們來說，時間會以完全傳統的方式流動。只有將他們的宇宙與我們的宇宙進行比較時，才會顯得不尋常——我們的過去是他們的未來，反之亦然。但是這種比較純粹是假設性的，因為我們無法到達那裡，他們也無法來到這裡。
截至目前，我們的模型尚未定論。宇宙學家多年來一直在思考嬰兒宇宙的想法，但我們不瞭解嬰兒宇宙的誕生過程。如果量子漲落可以創造新的宇宙，它們也可以創造許多其他東西——例如，整個星系。為了使像我們這樣的情景能夠解釋我們看到的宇宙，它必須預測大多數星系是在類似大爆炸事件之後產生的，而不是作為原本空曠的宇宙中的孤立波動。如果不是這樣，我們的宇宙將顯得非常不自然。
但最重要的教訓不是關於超大尺度時空結構的任何特定情景。而是這樣一種想法：我們可觀測宇宙的一個引人注目的特徵——時間之箭，它源於早期宇宙中非常低的熵條件——可以為我們提供關於不可觀測宇宙性質的線索。
正如本文開頭提到的，有一個符合資料的圖景固然很好，但宇宙學家想要的不僅僅是這樣：我們尋求對自然規律和我們特定宇宙的理解，使一切對我們來說都有意義。我們不想淪為接受我們宇宙的奇怪特徵為不容置疑的事實。我們可觀測宇宙的巨大時間不對稱性似乎正在為我們提供一個更深層次的線索——一個關於空間和時間的終極運作方式的提示。我們作為物理學家的任務是利用這個和其他線索來拼湊出一幅引人注目的圖景。
如果可觀測宇宙是存在的全部，那麼幾乎不可能以自然的方式解釋時間之箭。但是，如果我們周圍的宇宙只是更大圖景的一小部分，那麼新的可能性就會出現。我們可以將我們宇宙的這一小部分視為拼圖的一部分，作為更大的系統在非常遙遠的過去和非常遙遠的未來無限增加其熵的趨勢的一部分。套用物理學家愛德華·特賴恩的話，如果大爆炸不是萬物的開端，而只是不時發生的事情之一，那麼大爆炸就更容易理解了。
其他研究人員正在研究相關的想法，因為越來越多的宇宙學家正在認真對待時間之箭提出的問題。觀察時間之箭很容易——你所要做的就是將少量牛奶倒入咖啡中。在品嚐咖啡的同時，您可以思考這個簡單的動作如何追溯到我們可觀測宇宙的開端，甚至更遠。
這個故事最初以“時間之箭的宇宙起源”為標題印刷