时间为什么向前走（为什么时间是向前的）

当艾萨克·牛顿在 1687 年发表他著名的《原理》时，他的三个优雅的运动定律解决了许多问题。没有他们，我们将无法在 282 年内将人送上月球。但是这些定律给物理学带来了一个新问题，直到牛顿之后的几个世纪才被完全理解，这仍然困扰着今天的宇宙学家。

问题是牛顿定律的有效性大约是我们预期的两倍。它们描述了我们每天穿越的世界——人类的世界，转动时钟的手，甚至一些杜撰的苹果——但它们也完美地解释了一个人们倒退的世界，时钟从下午滴答滴答到早上，果蝇从地面到它的树枝。

“牛顿定律中没有区分过去和未来的有趣特征直到很久以后才被认真对待，”理论物理学家和哲学家肖恩卡罗尔说，他在最近的一本书“宇宙最大的想法”中讨论了时间的本质。 “但时间的方向性是它最明显的特征，对吧？我有过去的照片，我没有任何未来的照片。”

问题不仅限于牛顿数百年的理论。法国马赛理论物理中心的物理学家、《时间的秩序》等书籍的作者卡洛·罗维利说，从那时起，几乎所有物理学的基石理论都及时有效地发挥了作用。 .

“从牛顿开始，然后是麦克斯韦的电磁理论，然后是爱因斯坦的工作，然后是量子力学、量子场论、广义相对论，甚至是量子引力——过去和未来没有区别，”罗维利说。 “这令人惊讶，因为这种区别对我们所有人来说都是如此明显。如果你拍一部电影，很清楚哪条路是未来，哪条路是过去。”

这些对宇宙没有自己的时间箭头的描述，如何能得出明确的时间方向呢？正如里斯本大学的天体物理学家玛丽娜·科尔特斯所说：“首先要认真对待‘为什么时间会流逝？’这个问题。有很多影响。”

时间的行为方式违背了我们的直觉。在最小的尺度上，没有有意义的“未来”，也没有“过去”

部分答案在于近 140 亿年前的大爆炸。另一种见解来自相反的极端，即宇宙的最终死亡。

但在开始沿着宇宙时间线来回进行史诗般的旅程之前，值得在 1865 年停下来，因为第一个真正的时间导向的物理定律沿着工业革命的轨道疾驰而过。

聚集蒸汽

在 19 世纪，当煤被铲入熔炉以产生蒸汽动力时，希望开发更好的发动机的科学家和工程师接受了一组描述热、能量和运动之间关系的原理。它们被称为热力学定律。

1865 年在德国，物理学家鲁道夫克劳修斯指出，如果周围没有任何变化，热量就不能从冷体传递到热体。克劳修斯开发了他所谓的“熵”来测量这种热行为——另一种说法是热量永远不会从冷物体流向热物体，即“熵只会增加，不会减少”（参见 Box Entropy and the Rise of Disorder）。

正如罗维利在《时间的秩序》中所强调的，这是唯一能够区分过去和未来的基本物理定律。一个球可以滚下山丘或被踢回其顶部，但热量不能从冷流到热。

为了说明这一点，罗维利拿起他的笔，从一只手落到另一只手上。 “它停在我手上的原因是它有一些能量，然后能量转化为热量，它温暖了我的手。摩擦停止了弹跳。否则，没有热量，它会一直弹跳，而且我不会区分过去和未来。”

到目前为止，很容易。也就是说，直到你开始在分子水平上考虑热量。热的东西和冷的东西之间的区别在于它们的分子有多兴奋——在热蒸汽机中，水分子如此兴奋，四处奔跑并迅速相互碰撞。当它们在窗玻璃上凝结成水分子时，相同的水分子不会被搅动。

这就是问题所在：当你放大到一个水分子与另一个水分子碰撞并反弹的水平时，时间箭头就会消失。如果您观看碰撞的微观视频，然后将其倒带，则不会很明显哪条路是前进的，哪条路是后退的。在最小的尺度上，产生热量的现象——分子碰撞——是时间对称的。

这意味着从过去到未来的时间之箭只有在你从微观世界回到宏观世界时才会出现——奥地利物理学家和哲学家路德维希·玻尔兹曼的第一个首先实现。

“所以时间的方向来自于我们对大事的关注，我们不关注细节，”罗维利说。 “从这一步，从对世界的基本微观视野，到对宏观世界的粗略、粗略的描述——这就是时间的方向。

“这并不是说世界从根本上是空间和时间导向的，”罗维利说。当我们环顾四周时，我们会看到一个中等大小的日常事物，朝着一个熵更多的方向——成​熟的苹果从树上掉下来，洗牌。

虽然熵似乎确实与时间之箭有着千丝万缕的联系，但当你观察非常小的时间时，具有很强时间方向性的物理定律会失去这种方向性，这有点令人惊讶——甚至可能令人不安

为什么时间只会向前推进的问题让我们非常迅速地回到了宇宙本身的起源

“什么是熵？”罗维利说。 “熵是我们忘记了多少微物理学，忘记了多少分子。”

开始和结束

如果有时间之箭，它最初是从哪里来的？

“答案就在宇宙的开始，”卡罗尔说。 “答案是因为大爆炸的熵很低。而且，140 亿年后，我们仍在大爆炸附近开始的海啸的余波中游泳。这就是为什么时间对我们有方向。”

大爆炸的超低熵既是一个答案，也是一个巨大的问题。 “关于时间的本质，我们最不了解的是为什么大爆炸的熵如此之低，以及为什么早期宇宙是这样的，”卡罗尔说。 “老实说，作为一名工作的宇宙学家，我认为我的宇宙学家同事已经把球放在了这个问题上。他们并没有真正认真对待它。”

卡罗尔在 2004 年与他的同事 Jennifer Chen 发表了一篇论文，他们旨在解释为什么宇宙在大爆炸附近的熵如此之低，而不是仅仅假设或接受这一点。 “这个理论有很多漏洞，很多方面还没有完全成熟——但我也认为这是迄今为止市场上最好的理论，”卡罗尔说。 “它不作弊。”

其他宇宙学家一致认为，确实是时候认真考虑宇宙低熵的起源了。 “我们当前的宇宙具有这种初始条件而不是任何其他类型的概率约为十分之一到 10 到 124 (1:10^10^124)，”科尔特斯说。 （另一种说法是事件的概率为 0.00…01 - 省略 120 个零。）“我的意思是我可以肯定地说，这是现代物理学中最大的数字，除了哲学或数学。”

Cortês 说，简单地将这些不太可能的低熵起源视为给定的一个很好的例子是“将问题推到地毯下”。 “如果物理学家继续这样做，一段时间后它就会变成一堆东西。我们宇宙学家必须解释为什么时间只会向前移动。”

宇宙以最不可思议的不可能形成开始，从那以后一直从那个状态“跌落”

即使我们还不知道为什么，宇宙的低熵过去是时间之箭的合理来源。像大多数有开始的东西一样，箭头也有结束。第一个发现这一点的人还是奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼。

“玻尔兹曼想，‘啊，宇宙中的熵正在增长，也许它会在某个时候达到最大值，’”罗维利说。那时，热量将均匀分布在整个宇宙中，不再从一个地方流向另一个地方。

将没有可用于工作的有用能量形式——换句话说，整个宇宙中几乎不会发生任何有趣的事情。正如天体物理学家凯蒂麦克所描述的那样，“随着过程的继续，一切都会衰变，因此宇宙中只剩下曾经存在过的一切的废热。”这种命运被称为宇宙热死，或热死。

“恒星将停止燃烧，不会再发生任何事情。只会有很小的热波动，”罗维利说。 “假设这发生了——我们不确定它是否发生，但假设它发生了——我们应该说那里没有时间方向吗？当然没有时间方向，因为以一种方式发生的每一种现象也可以以一种方式发生或另一个。没有什么能区分时间的两个方向。

这也许是时间之箭最奇怪的地方：“它只持续了一小会儿，”卡罗尔说。

很难想象如果时间之箭最终消失了会发生什么。 “当我们认为我们的神经元正在产生热量时，”罗维利说。 “思考是一个神经元需要熵才能工作的过程。我们对时间流逝的感觉正是熵对我们大脑的作用。”

当熵产生时时间之箭让我们更接近理解为什么时间只会向前移动。但时间之箭可能比这支还多——事实上，从过去指向未来的时间之箭是一整串的。要理解这一点，我们必须从物理学转向哲学。

人类时间

纽约哥伦比亚大学哲学教授杰南·伊斯梅尔 (Jenann Ismael) 说，我们不应该忽视我们凭直觉理解和体验时间的方式。如果您考虑一下自己的时间体验，您可能很快就能识别出几种构成人类体验核心部分的心理箭头。这些箭头之一就是伊斯梅尔所说的“流动”。

时间前进的答案植根于宇宙开始的方式

“如果你看世界，你不会体验到世界瞬时状态的纯粹静态表示，”她说，就像在每秒由许多静态帧组成的电影中一样。 “我们直接看到世界正在发生变化。”

这种对时间流动的体验是建立在我们的感知之上的。 “这个愿景根本不像电影摄影机，”伊斯梅尔说。 “实际上，你的大脑在一段时间内收集信息。它正在整合这些信息，以便在任何特定时刻，你所看到的是大脑所做的计算。所以你不仅看到事物在移动，你看看他们移动的速度，他们移动的方向。所以在整个过程中，你的大脑正在整合来自时间间隔的信息并给你结果。所以你以某种方式看待时间。

伊斯梅尔将时间的第二个特征与流动区分开来，她称之为“通道”。

所传递的思想与记忆和预期等以时间为导向的体验密切相关。以婚礼或任何备受期待的生活事件为例。我们对这些时刻的体验有很多层次——从难以捉摸的计划阶段，到一天本身的强度，再到陪伴我们多年的记忆。这些不同的体验有一个方向性：我们预测未来事件的方式与我们记忆过去事件的方式根本不同。

伊斯梅尔说：“所有这些都是我认为的时间旅行体验的一部分，即我们体验过去所期望的一切，现在体验它，回想起来记住它。” “它的密度有点普鲁士式的。”

心理时间方向性的这些方面——以及许多其他方面，例如我们对未来而非过去的开放感——可以追溯到工业革命创造的时间箭头。

“我认为这一切都回到了熵上，”伊斯梅尔说。 “我现在认为没有理由认为人类心理学中涉及的各种箭头最终都植根于熵箭头。但这是一个经验问题。该项目旨在了解与熵箭头相关的人类经验，我没有理由认为它会失败。”

这个项目是卡罗尔希望做的，将我们时间经验的几个特征与熵联系起来。他的第一个目标是因果关系，时间之箭的另一个元素，因为原因发生在结果之前。

就像时间之箭从宇宙起源开始，它也可能在宇宙消亡时结束

至少可以说，这个项目是所有参与其中的物理学家和哲学家的一项重大事业。尽管如此，隐藏在所有这些努力背后的是一个令人烦恼的问题，即为什么在最早的宇宙中熵如此之低。

“我认为我们理解为什么我们有这种流动感，”罗维利说。 “我们理解为什么过去对我们来说似乎是固定的，而未来似乎是开放的。我们理解为什么会有不可逆的现象，我们可以将这一切归结为热力学第二定律，即熵的上升。

“这与一个事实非常相关，如果我们追溯它，追溯，追溯，宇宙开始时非常小，处于非常特殊的情况。然后不知何故，它退出了那个特殊情况。

“但当然有一个悬而未决的问题，我的意思是，为什么？为什么会以这种特殊的方式开始？”

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