你是否曾經(jīng)希望通過(guò)時(shí)間倒流。可以讓你回到過(guò)去，以改變一些讓你后悔莫及的事情呢？那么，今天我要告訴你一個(gè)好消息，物理定律似乎表明了，時(shí)間的倒流或是向前是相同的。但是，為什么我們似乎被困在了不可逆轉(zhuǎn)的時(shí)間流中，為什么時(shí)間只能夠向未來(lái)前進(jìn)呢？今天我們就以科學(xué)的角度來(lái)解決這些問(wèn)題。物理定律描述了宇宙，如何在一瞬間就演化成了下一個(gè)瞬間的宇宙，而這些定律并沒(méi)有區(qū)分未來(lái)和過(guò)去。無(wú)論是量子力學(xué)的微觀領(lǐng)域，還是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的宇宙領(lǐng)域，逆轉(zhuǎn)時(shí)間的流動(dòng)都在物理方程中得到了完整的描述。然而，盡管物理學(xué)中，并沒(méi)有對(duì)時(shí)間方向偏好的選擇，為什么時(shí)間卻只能向前走，而不是向后走呢？這一切可以通過(guò)我們對(duì)時(shí)間單向性的兩種感知方式來(lái)解釋。

首先是外部感知。當(dāng)我們掉落一顆雞蛋時(shí)，它可能會(huì)碎裂，但它永遠(yuǎn)不會(huì)自行重新組合。隨著時(shí)間的推移，整個(gè)宇宙都在不可逆的熵增過(guò)程中衰減。這種外部現(xiàn)象使我們感知到時(shí)間的單向性。第二種感知方式是內(nèi)部的。我們按照事件發(fā)生的順序來(lái)排列記憶。我們記得過(guò)去的事情，但不記得未來(lái)的事情。在我們的大腦中，我們以先前事件的順序組織記憶。這種內(nèi)部感知進(jìn)一步強(qiáng)化了時(shí)間的單向性。在接下來(lái)的探索中，我們將深入研究熵如何打破時(shí)間的對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致未來(lái)與過(guò)去的差異。我們還將通過(guò)一系列的討論，探索為什么宇宙尺度上的時(shí)間對(duì)稱(chēng)性打破定義了我們?cè)谧约捍竽X中所經(jīng)歷的時(shí)間體驗(yàn)。

與此同時(shí)，當(dāng)我們說(shuō)物理定律不關(guān)心時(shí)間的方向時(shí)，我們的意思是物理定律在描述宇宙演化時(shí)并沒(méi)有偏好或偏向某個(gè)時(shí)間方向。換句話說(shuō)，如果我們將宇宙中所有粒子的運(yùn)動(dòng)逆轉(zhuǎn)，并根據(jù)物理定律計(jì)算它們的行為，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)物理定律在逆轉(zhuǎn)的情況下同樣適用，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)粒子會(huì)按照它們的軌跡返回到它們來(lái)時(shí)的狀態(tài)，甚至可以追溯到宇宙大爆炸之前。讓我們來(lái)了解一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，通過(guò)使用一個(gè)常見(jiàn)的“塊宇宙”圖像，其中我們有二維空間和一維時(shí)間。隨著時(shí)間向上流動(dòng)，塊宇宙的存在只是短暫的。我們通過(guò)按照特定順序查看時(shí)間切片的方式來(lái)感知時(shí)間的流逝。

現(xiàn)在，想象兩個(gè)相互運(yùn)動(dòng)的粒子，例如電子。隨著時(shí)間的推移，它們?cè)诳臻g中相互移動(dòng)。當(dāng)它們靠近時(shí)，由于靜電排斥力，它們會(huì)偏離原來(lái)的軌道。牛頓的運(yùn)動(dòng)定律結(jié)合庫(kù)侖定律完美地描述了電子位置隨時(shí)間變化的規(guī)律。但是，如果我們將時(shí)間流逆轉(zhuǎn)，將圖像翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，我們會(huì)看到電子仍然像互相彈開(kāi)一樣運(yùn)動(dòng)。同樣的物理方程依然能夠準(zhǔn)確描述這兩種方向上的反彈，似乎并不偏好其中一種方向。物理定律并不關(guān)心時(shí)間的流向，它們只是描述了我們?cè)趬K宇宙時(shí)間切片之間的關(guān)系。時(shí)間具有對(duì)稱(chēng)性，因?yàn)槲锢矶蓪?duì)過(guò)去和未來(lái)沒(méi)有區(qū)別。這些定律甚至不要求時(shí)間必須流動(dòng)，它只是像空間中的另一個(gè)維度一樣存在。

然而，在這方面有一個(gè)強(qiáng)有力的例外，即熱力學(xué)第二定律。該定律指出，熵必須始終增加或保持不變，而不會(huì)隨時(shí)間減少。因此，第二定律確實(shí)規(guī)定了時(shí)間的方向，它打破了對(duì)稱(chēng)性。為了理解其中的原因，我們需要回顧一下熵的概念，這將是一個(gè)很好的復(fù)習(xí)插曲。有幾種方法可以思考熵，而今天我們將從能量分布的角度來(lái)探討它。能量可以以多種形式存在，并在不同形式和物體之間轉(zhuǎn)移。例如，當(dāng)電子碰撞時(shí)，動(dòng)能會(huì)在它們之間轉(zhuǎn)移。隨著時(shí)間的推移，由于碰撞，能量?jī)A向于以盡可能均勻的方式分布。因此，如果一個(gè)盒子里有很多電子，其中一半電子具有很高的動(dòng)能且移動(dòng)得很快，而另一半沒(méi)有動(dòng)能，那么很快速的電子會(huì)與其他電子發(fā)生碰撞，將能量分享出去，而不是一直集中在它們之間。通過(guò)隨機(jī)碰撞，能量會(huì)被逐漸分散，使得一半電子獲得所有能量，而另一半電子沒(méi)有能量的情況非常不可能。因此，如果我們從能量分布不是完全隨機(jī)的情況開(kāi)始，隨著時(shí)間的推移，能量將變得更加均勻分散。

值得注意的是，熵是用來(lái)衡量系統(tǒng)中能量分布的隨機(jī)性程度的。較高的熵表示更多的隨機(jī)性。熱力學(xué)第二定律告訴我們，熵必須隨著時(shí)間的推移而增加，這意味著一個(gè)處于非常特定、非隨機(jī)狀態(tài)的系統(tǒng)將變得更加隨機(jī)。這是統(tǒng)計(jì)效應(yīng)的結(jié)果。雖然存在微小的波動(dòng)可能導(dǎo)致熵局部下降，但隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，逆轉(zhuǎn)熵的可能性變得極小。那么，為什么時(shí)間似乎只朝一個(gè)方向前進(jìn)呢？實(shí)際上，并沒(méi)有什么特定的原因。第二定律只是告訴我們系統(tǒng)在任何時(shí)間方向上從低熵狀態(tài)改變的可能性。要理解為什么最終選擇了一個(gè)特定的方向，我們需要回到塊狀宇宙的概念。我們可以從一小團(tuán)具有低熵的粒子開(kāi)始。低熵可以通過(guò)奇特的速度分布實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)將粒子聚集在可用空間的一個(gè)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。讓我們給這些粒子隨機(jī)分配速度，并觀察接下來(lái)的時(shí)間步驟會(huì)發(fā)生什么。即使速度指向隨機(jī)的方向，這個(gè)團(tuán)體也不可避免地會(huì)分散。熵隨著能量擴(kuò)散到所有可能的狀態(tài)而增加，這在這種情況下意味著擴(kuò)散到粒子可能占據(jù)的所有可能位置。在這種情況下，我們將塊狀宇宙中的向上方向定義為朝向未來(lái)的方向。但是，如果我們反轉(zhuǎn)時(shí)間，它會(huì)是什么樣子呢？事實(shí)上，完全相同的隨機(jī)速度方向會(huì)傾向于在兩個(gè)時(shí)間方向上分散該團(tuán)體。同樣地，如果你拿一個(gè)低熵的系統(tǒng)并查看它之前或之后的步驟，隨著時(shí)間的推移，熵可能會(huì)變得更高。

而且，與其他物理定律相比，熵實(shí)際上不再關(guān)心時(shí)間的方向。它只是關(guān)注相鄰時(shí)間步驟中熵的增加。然而，如果你處于起始低熵點(diǎn)的兩側(cè)，你會(huì)感知到時(shí)間的不對(duì)稱(chēng)性。粒子會(huì)膨脹，一側(cè)熵增加，或者粒子會(huì)收斂，另一側(cè)熵減少。當(dāng)我們將焦點(diǎn)放在單個(gè)粒子的相互作用上時(shí)，我們會(huì)看到物理定律的完美可逆性。然而，當(dāng)我們將焦點(diǎn)縮小到更大尺度時(shí)，時(shí)間箭頭就顯現(xiàn)出來(lái)了。熵的存在于最小值兩側(cè)決定了時(shí)間的方向。在這個(gè)最小值兩側(cè)，宇宙極有可能以一種非常特殊的方式演化。這個(gè)圖所代表的真實(shí)世界情況被稱(chēng)為熵漲落。由于粒子軌跡的隨機(jī)排列或能量的其他移動(dòng)，我們偶爾會(huì)經(jīng)歷熵的減少，通常是在非常小的尺度上。熵可以減小，達(dá)到最小值，然后在最小值的時(shí)間點(diǎn)兩側(cè)會(huì)看到熵的增加。

那么，這一切對(duì)于我們的宇宙和時(shí)間的箭頭意味著什么呢？以膨脹的粒子來(lái)說(shuō)明熵的演化并非偶然。當(dāng)我們以星系的形式觀察宇宙中粒子的速度時(shí)，我們并不看到隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。相反，我們看到星系相互遠(yuǎn)離，這意味著它們?cè)?jīng)緊密聚集在一起。這就是宇宙膨脹的表現(xiàn)，也是第二定律在最大尺度上的體現(xiàn)。我們知道過(guò)去的熵更低，因?yàn)槲覀兛梢曰厮菪窍档奈恢煤徒M成它們的粒子，并計(jì)算出更密集、更特殊的排列。事實(shí)上，一個(gè)令人難以置信的低熵排列就是大爆炸的起點(diǎn)。有了這些知識(shí)，我們就不足為奇地看到熵在我們所理解的宇宙時(shí)間前進(jìn)方向上增加。因此，這是關(guān)于時(shí)間箭頭方向的一個(gè)論點(diǎn)。如果我們將時(shí)間視為物理定律連接的塊宇宙切片的序列，那么我們可以打破時(shí)間方向的對(duì)稱(chēng)性。如果其中一個(gè)切片有一個(gè)非常特殊的排列，那么宇宙在任何方向上都必須變得不那么特殊。因此，觀察宇宙從熵極小值的兩側(cè)的人會(huì)看到時(shí)間的有向性。

那么在我們的宇宙中，是什么導(dǎo)致了這個(gè)最初的特殊排列，即大爆炸的極端密度和對(duì)應(yīng)的荒謬低熵？這實(shí)際上是物理學(xué)中一個(gè)未解決的問(wèn)題。但是可能的結(jié)果之一是，如果你將所有粒子回溯到這個(gè)原始的特殊切片，在這個(gè)切片上，它們的速度是隨機(jī)的，然后繼續(xù)追溯到另一側(cè)，你會(huì)看到熵再次增加，但這次是逆向的。想象一下一個(gè)對(duì)稱(chēng)的宇宙，其中這些粒子再次分散，就像是反向的大爆炸一樣，這并不是不可思議的。如果大爆炸是由一個(gè)不可思議的宇宙規(guī)模的入口波動(dòng)引起的，情況可能是這樣的。盡管沒(méi)有證據(jù)表明這是真實(shí)的，但如果是真的，我們將會(huì)看到一個(gè)有趣的場(chǎng)景。如果熵在大爆炸之前增加，那是否意味著時(shí)間在大爆炸之前是倒轉(zhuǎn)的？大爆炸的逆轉(zhuǎn)是否會(huì)導(dǎo)致宇宙的時(shí)間逆轉(zhuǎn)？宇宙的時(shí)間逆轉(zhuǎn)是否就意味著一切都會(huì)重新開(kāi)始，開(kāi)始一個(gè)無(wú)限的循環(huán)呢？如果可以回到過(guò)去，你們想做點(diǎn)什么？在評(píng)論區(qū)說(shuō)出你們的想法。關(guān)注我們，下期再見(jiàn)。