為什么不能將攤雞蛋餅變成雞蛋

【美】肖恩·卡羅爾

2021-08-12 11:58

真的有人知道現(xiàn)在是什么時(shí)間了嗎？

——芝加哥樂(lè)隊(duì)，《真的有人知道現(xiàn)在是什么時(shí)間了嗎？》

這本書(shū)要講的是時(shí)間的本質(zhì)、宇宙的開(kāi)端，以及物理現(xiàn)實(shí)的深層結(jié)構(gòu)。我們不是要小打小鬧。我們要解決的問(wèn)題十分古老，也十分榮耀：時(shí)間和空間，都是從哪里來(lái)的？我們看到的宇宙就是全部，還是在我們目力所及之外還有別的“宇宙”？將來(lái)和過(guò)去，到底有什么不同？

《牛津英語(yǔ)詞典》的研究人員透露，在英語(yǔ)中用得最多的名詞，就是時(shí)間。我們生活在時(shí)間當(dāng)中，如癡如醉地追尋著時(shí)間，而且每天都在和時(shí)間賽跑——但出乎意料的是，很少有人能給出時(shí)間究竟是什么的簡(jiǎn)單解釋。

在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，我們也許會(huì)轉(zhuǎn)而向維基百科尋求指引。在本書(shū)寫(xiě)作時(shí)，“時(shí)間”這個(gè)詞條是這樣起頭的：

時(shí)間是測(cè)量體系的要素之一，可用于將事件排序，比較事件的存續(xù)以及事件之間的間隔，并量化物體的運(yùn)動(dòng)。時(shí)間一直是宗教、哲學(xué)和科學(xué)的主要問(wèn)題，但一直就連最偉大的學(xué)者都無(wú)法做到以無(wú)可爭(zhēng)議的方式定義時(shí)間，并可將其應(yīng)用于所有研究領(lǐng)域。[1]

嗯，開(kāi)始啦。到這本書(shū)結(jié)尾的時(shí)候，我們就會(huì)以能應(yīng)用于所有領(lǐng)域的方式來(lái)精確定義時(shí)間。但是很不幸，關(guān)于時(shí)間為何有那些特性，就沒(méi)那么清楚了——不過(guò)我們會(huì)仔細(xì)研究一下某些有趣的想法。

宇宙學(xué)就是研究整個(gè)宇宙的學(xué)問(wèn)，這門(mén)學(xué)問(wèn)在過(guò)去的幾百年里取得了非凡進(jìn)展。140億年前，我們的宇宙（或至少是我們能觀測(cè)到的這部分宇宙）處于無(wú)法想象的炎熱、致密的狀態(tài)，我們管這個(gè)狀態(tài)叫“大爆炸”。從那時(shí)起，宇宙就一直在膨脹、冷卻，而且在我們看得到的未來(lái)還會(huì)一直這樣進(jìn)行下去，很可能也會(huì)永遠(yuǎn)如此。

一個(gè)世紀(jì)以前，我們還對(duì)此一無(wú)所知——除了銀河系，科學(xué)家說(shuō)不上對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)有任何了解。現(xiàn)在，我們已經(jīng)摸清了可觀測(cè)宇宙的底細(xì)，能詳細(xì)描述其大小和形狀，其組成和歷史輪廓也能說(shuō)個(gè)大概。但還是有些重要問(wèn)題我們沒(méi)法回答，尤其是與大爆炸早期有關(guān)的。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，那些問(wèn)題在我們對(duì)時(shí)間的理解中將起到關(guān)鍵作用——不只是在遙不可及的宇宙中，就是在我們地球上的實(shí)驗(yàn)室中，乃至我們的日常生活中，都是如此。

大爆炸以來(lái)的時(shí)間

宇宙隨著時(shí)間流逝而演化，這一點(diǎn)已經(jīng)很清楚了——早期宇宙炎熱、致密，現(xiàn)在的宇宙則寒冷、稀疏。不過(guò)我打算說(shuō)說(shuō)更深層次的關(guān)聯(lián)。關(guān)于時(shí)間，最神秘的一點(diǎn)就是它有方向：過(guò)去和將來(lái)是不一樣的。這就是時(shí)間之箭。空間中的方向都是以完全等價(jià)的方式創(chuàng)造出來(lái)的，但時(shí)間與此不同，宇宙在時(shí)間上不容置疑地有一個(gè)首選方向。本書(shū)的一大主題就是，時(shí)間之箭之所以存在，是因?yàn)橛钪嬖谝蕴囟ǖ姆绞窖莼?/p>

時(shí)間有方向的原因在于，宇宙中充滿(mǎn)了不可逆過(guò)程——事件在時(shí)間的某個(gè)方向發(fā)生，但絕不會(huì)是另一個(gè)方向。就像那個(gè)老生常談的例子里說(shuō)的，你可以讓雞蛋變成攤雞蛋餅，但是沒(méi)辦法讓攤雞蛋餅變成雞蛋。牛奶在咖啡里散開(kāi)；汽油燃燒，變成廢氣；人們出生、長(zhǎng)大，最后死亡。自然界里在任何地方我們都能找到事件序列，其中總有一件事情發(fā)生在前，另一件在后；這些事件放在一起，就定義了時(shí)間之箭。

值得注意的是，有一個(gè)概念是我們理解不可逆過(guò)程的基礎(chǔ)。這個(gè)概念叫做熵，用來(lái)度量物體或物體集合的“無(wú)序程度”。隨著時(shí)間推移，熵會(huì)頑固地傾向于增加，或至少保持不變，這就是著名的熱力學(xué)第二定律[2]。熵總是會(huì)增加的原因表面看來(lái)似乎挺簡(jiǎn)單：處于無(wú)序狀態(tài)的方式比有序的要多，因此（其它條件相同時(shí)）有序狀態(tài)就會(huì)自然而然地傾向于變成無(wú)序。把雞蛋分子炒成攤雞蛋餅的樣子沒(méi)什么難的，但要把這些分子小心翼翼地重組成雞蛋就不是我們能辦到的了。

物理學(xué)家講給自己聽(tīng)的傳統(tǒng)故事通常到此為止。但是，還有一個(gè)絕對(duì)至關(guān)重要的因素沒(méi)有得到足夠重視：如果宇宙中的一切都在向更加無(wú)序的狀態(tài)演化，那宇宙肯定是從一個(gè)極度有序的狀態(tài)出發(fā)的。這整個(gè)邏輯鏈條號(hào)稱(chēng)能夠解釋為什么不能將攤雞蛋餅變成雞蛋，顯然是基于一個(gè)關(guān)于宇宙初始狀態(tài)的重要假設(shè)：這個(gè)狀態(tài)的熵非常低，非常有序。

時(shí)間之箭將早期宇宙與我們生命所經(jīng)歷的每一個(gè)時(shí)刻聯(lián)系了起來(lái)。這不只是打破雞蛋，或是把牛奶混進(jìn)咖啡，又或是無(wú)人打理的房間如何傾向于隨著時(shí)間流逝而變得更加雜亂無(wú)章之類(lèi)的不可逆過(guò)程。時(shí)間之箭就是為什么時(shí)間看起來(lái)就像在我們身邊流動(dòng)的原因，或者說(shuō)（如果你更喜歡這個(gè)說(shuō)法）為什么我們似乎在穿過(guò)時(shí)間。這就是為什么我們會(huì)記得過(guò)去，但不會(huì)記得將來(lái)。這就是為什么我們會(huì)演化、會(huì)新陳代謝，并最終死亡。這也是為什么我們會(huì)相信因果，而這一點(diǎn)對(duì)我們關(guān)于自由意志的觀念也至關(guān)重要。

而且，這些全都是因?yàn)榇蟊ā?/p>

我們看到的并非全部

時(shí)間之箭的奧秘可以歸結(jié)為這樣一點(diǎn)：為什么早期宇宙中的條件會(huì)以非常特殊的方式設(shè)置？這個(gè)結(jié)構(gòu)的熵非常低，使得所有有趣的、不可逆的過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)。這就是本書(shū)試圖解答的問(wèn)題。但不幸的是，還沒(méi)有人知道正確答案。但現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)到了一個(gè)階段，現(xiàn)在我們有辦法認(rèn)真對(duì)待這個(gè)問(wèn)題了。

科學(xué)家和現(xiàn)代科學(xué)出現(xiàn)以前的思想家都總在試圖理解時(shí)間。在古希臘，蘇格拉底以前的哲學(xué)家赫拉克利特（Heraclitus）和巴門(mén)尼德（Parmenides）對(duì)于時(shí)間的本質(zhì)有相當(dāng)不同的看法。赫拉克利特強(qiáng)調(diào)改變的重要性，而巴門(mén)尼德完全否定改變的現(xiàn)實(shí)。19世紀(jì)是統(tǒng)計(jì)力學(xué)的黃金時(shí)代，人們從微觀組成出發(fā)，推導(dǎo)出了宏觀物體的性能。其中涌現(xiàn)了像是路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）、詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）以及約西亞·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）等英雄人物，想出了熵的意義及其在不可逆過(guò)程中的作用。但他們并不知道愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論或量子力學(xué)，當(dāng)然也不可能了解現(xiàn)代宇宙學(xué)。在科學(xué)史上還是第一次，我們至少有了將時(shí)間的合理理論與宇宙的演化放在一起的機(jī)會(huì)。

為了找到出路，我打算給出如下提議：大爆炸并非宇宙的開(kāi)端。宇宙學(xué)家有時(shí)候會(huì)說(shuō)，大爆炸代表著時(shí)間和空間的真正邊界，在大爆炸之前一無(wú)所有——實(shí)際上，就連時(shí)間本身都還不存在，因此“之前”這個(gè)概念嚴(yán)格來(lái)講也并不適用。但是，我們對(duì)物理學(xué)的終極定律還不夠了解，還沒(méi)有信心做出類(lèi)似這樣的陳述。科學(xué)家越來(lái)越多地認(rèn)真考慮，有沒(méi)有可能大爆炸并不是一個(gè)真正的開(kāi)端，而只是宇宙（或至少是我們這部分宇宙）所經(jīng)歷的一個(gè)階段。如果真有這種可能，我們的宇宙一開(kāi)始熵如此之低的問(wèn)題就變成了另一種類(lèi)型：不再是“為什么宇宙以這么低的熵開(kāi)始”，而成了“為什么我們這部分宇宙經(jīng)歷了熵這么低的一個(gè)時(shí)期”。

這個(gè)問(wèn)題聽(tīng)起來(lái)一點(diǎn)兒也不容易，但好歹是個(gè)不一樣的問(wèn)題，可能也開(kāi)啟了一系列新的答案。也許我們看到的宇宙只是比這還要大得多的多重宇宙的一部分，而這個(gè)多重宇宙完全不是從低熵狀態(tài)開(kāi)始的。我會(huì)證明，多重宇宙最合理的模型是，在多重宇宙中熵在增加是因?yàn)殪赜肋h(yuǎn)可以增加，沒(méi)有一個(gè)熵最大的狀態(tài)。額外好處是，多重宇宙在時(shí)間上完全可以是對(duì)稱(chēng)的：從中間某個(gè)熵很高的時(shí)刻開(kāi)始，它可以向過(guò)去、向未來(lái)演化到熵更高的狀態(tài)。我們看到的宇宙只是滄海一粟，而我們從致密的大爆炸到無(wú)窮無(wú)盡的虛空的特別之旅，也只不過(guò)是更為廣闊的多重宇宙追求熵增的一小部分。

不過(guò)，這只是可能性之一。我在這里提出來(lái)，是作為宇宙學(xué)家需要考慮的設(shè)想之一——如果他們想認(rèn)真看待由時(shí)間之箭帶來(lái)的問(wèn)題的話(huà)。但無(wú)論這個(gè)特別的想法有沒(méi)有脫線，這些問(wèn)題本身都有趣又有料。本書(shū)將有大量篇幅用于從不同角度審視這些問(wèn)題：時(shí)間旅行、信息論，量子力學(xué)，永恒的本質(zhì)。如果我們無(wú)法確定終極答案，那我們就理應(yīng)以盡可能多的方式來(lái)提出這個(gè)問(wèn)題。

總有人疑神疑鬼

并不是每一個(gè)人都認(rèn)為，如果想要理解時(shí)間之箭，宇宙學(xué)應(yīng)該扮演極為重要的角色。有一次，我在一所大學(xué)的物理系就這個(gè)話(huà)題在大量聽(tīng)眾面前做了一次講座。系里有位老教授覺(jué)得我講的沒(méi)有什么說(shuō)服力，還用盡渾身解數(shù)讓在座的每一個(gè)人都知道了他有多不爽。第二天，這位老教授給系里的教職員工發(fā)了一封公開(kāi)信，還十分貼心地抄送給了我：

總地來(lái)說(shuō)，宇宙中的熵作為時(shí)間的函數(shù)，其重大意義對(duì)宇宙學(xué)家來(lái)說(shuō)是個(gè)有趣的話(huà)題，但要說(shuō)物理學(xué)的一條定律也得奠基于此，那就是滑天下之大稽了。卡羅爾聲稱(chēng)第二定律的存在要?dú)w因于宇宙學(xué)，這是我在所有物理學(xué)講座中聽(tīng)到過(guò)的最糟糕（原文如此）的言論之一，只有（某某）關(guān)于量子力學(xué)中存在意識(shí)的早期評(píng)論可與之比肩。聽(tīng)眾當(dāng)中的物理學(xué)家對(duì)這樣的無(wú)稽之談還能姑妄聽(tīng)之，我感到震驚。后來(lái)，我與幾位樂(lè)意了解我的反對(duì)意見(jiàn)的研究生共進(jìn)晚餐，但是卡羅爾依然固執(zhí)己見(jiàn)。

我希望他讀一下這本書(shū)。本書(shū)包含了很多聽(tīng)起來(lái)很激動(dòng)人心的言論，不過(guò)我會(huì)盡最大努力將這些言論仔細(xì)分成三種類(lèi)型：（1）聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)石破天驚，但還是作為真理被普遍認(rèn)可的現(xiàn)代物理學(xué)的顯著特點(diǎn)；（2）理應(yīng)但并未被大量活躍的物理學(xué)家廣泛接受的重大聲明，因?yàn)楹翢o(wú)疑問(wèn)這些聲明都是正確的；以及（3）超越當(dāng)代科學(xué)界前沿、令人不安的猜測(cè)性想法。我們當(dāng)然不會(huì)避免做出推測(cè)，但這些推測(cè)都會(huì)清晰標(biāo)明。當(dāng)所有該說(shuō)的都說(shuō)了該做的也都做了，你就應(yīng)該有了全副武裝，可以自己來(lái)判斷這個(gè)故事哪些部分是真的了。

時(shí)間這個(gè)話(huà)題涉及到大量思想，有的來(lái)自日常生活，有的會(huì)讓人想破腦袋。我們會(huì)審視熱力學(xué)、量子力學(xué)、狹義和廣義相對(duì)論、信息論、宇宙學(xué)、粒子物理，還有量子引力。本書(shū)第一部分可以看成是對(duì)這個(gè)遼闊疆域的閃電之旅——熵和時(shí)間之箭，宇宙的演化，以及關(guān)于“時(shí)間”本身這個(gè)想法的不同概念。接下來(lái)我們會(huì)變得更系統(tǒng)化一點(diǎn)，第二部中我們會(huì)深入思考時(shí)空和相對(duì)論，以及讓時(shí)間倒流的可能性。第三部中我們則會(huì)對(duì)熵進(jìn)一步考察，從生命的演化到神秘的量子力學(xué)，在多重背景下探索其意義。

到本書(shū)第四部分我們會(huì)將這些都集中起來(lái)，直接面對(duì)熵在現(xiàn)代宇宙學(xué)家面前表現(xiàn)出的神秘：宇宙看起來(lái)應(yīng)該是什么樣子，這跟它現(xiàn)在真正看起來(lái)的樣子相比又如何？我會(huì)在詳細(xì)討論這個(gè)問(wèn)題的含義之后證明，這個(gè)宇宙看起來(lái)完全不是我們“應(yīng)該”看到的樣子——至少在我們看到的就是整個(gè)宇宙的情況下。如果我們的宇宙始于大爆炸，這個(gè)宇宙就需要有個(gè)細(xì)微調(diào)整過(guò)的邊界條件，而我們對(duì)此還沒(méi)有合理解釋。但如果觀測(cè)到的宇宙只是更大的總體（多重宇宙）的一部分，那我們就得有能力解釋?zhuān)瑸槭裁催@個(gè)總體的一小部分，見(jiàn)證了熵從時(shí)間的一頭到另一頭要有這樣的巨變。

所有這些都是“雖千萬(wàn)人吾往矣”的大膽猜測(cè)，但值得認(rèn)真對(duì)待。賭注很大——時(shí)間，空間，宇宙，全押上了——而我們這一路走來(lái)，無(wú)疑也有可能犯下天大的錯(cuò)誤。即使我們的終極目標(biāo)是回到地球解釋廚房里發(fā)生的事情，讓我們的想象力放飛一下，有時(shí)候也是有用的。

注釋

1.維基百科貢獻(xiàn)者（2009）

2.這里我們強(qiáng)調(diào)一下方向，否則很容易弄混；熵度量的是無(wú)序，而且是隨時(shí)間增加，而非減少。通常我們會(huì)想著“事情慢慢消停了”，但要說(shuō)得更準(zhǔn)確一點(diǎn)的話(huà)，就應(yīng)該是“熵增加了”。

本文摘自《大圖景》作者肖恩·卡羅爾新作《從永恒到此刻：追尋時(shí)間的終極奧秘》，為該書(shū)前言，澎湃新聞經(jīng)授權(quán)刊載，標(biāo)題為編者所擬。