時間之箭

Arrow of time 時間之箭，科學中最不可思議的事物之一就是區分過去和未來。在亞原子層次上，不論是經典力學的傳統思想抑或量子力學的現代思想，都不能區別過去和未來。在涉及亞原子粒子的典型相互作用中，兩個粒子可以會合到一起，並通過某種方式產生兩個不同的粒子，後者隨即又分開。物理學定律表明，幾乎每種這樣的相互作用都能同樣有效地反過來運行，即“最後的”的兩個粒子會合到一起並相互作用產生“最初的”兩個粒子。在這一層次上，僅僅著眼於每對粒子是無法將過去與未來分開的。

但是在人能感知的層次上，過去和未來的區別是顯而易見的。事物的變陳舊，人的變老。與粒子的相互作用相對應，我們可以想象一個在桌子邊緣的酒杯，它搖搖晃晃墜落地面摔碎了。即使在酒杯摔碎時，酒杯內部原子之間每種相互作用按照已知物理定律是可以反轉的，我們也永遠看不到摔碎的杯子自己重新組裝起來。如果讓我們看兩張靜止照片，一張是桌子上的酒杯，另一張是地板上的玻璃碎塊，我們也能毫無困難地指出，在時間上哪一張照片先拍，哪一張后拍。在我們考慮很多粒子的複雜關係時，存在著一個從過去指向未來的固有的時間之箭。

但是，區分指向未來的箭和向未來運動的箭是很重要的。這很像羅盤的指針，它指向北方，但根本不必向北方（或其他任何方向）運動。如果拍一部酒杯從桌子上墜落地面的電影，而不僅僅是在此“之前和之後”的兩張照片；如果電影的個別畫面割裂開來然後混在一起，我們也仍然能夠把它們按正確順序加以整理。不必真正放映電影，，也能清楚區分過去和未來。

有些科學家（和哲學家）認為，我們關於時間流逝的印象不過是一種幻覺，因為我們的頭腦審視我們親身經歷的事件，就像把電影放映在銀幕上。潛在的事實，不論過去的還是未來的，可能仍然在那裡，就像電影膠片的各個獨立畫面，即使我們的注意力不得不集中通過一個一個畫面追隨故事的連續。不管這是否真實（這是極具爭議的問題），仍然真實的一點是，過去和未來可以用一個從過去指向未來的箭加以區別。

這種區別可以用數學來表示，熱力學的基礎是對我們從過去“運動”到未來的過程中事物變化方式的分析。關鍵是洞察到宇宙中的複雜程度總是在增加——酒杯破碎了，卻不會自行聚合。物理學家用叫做熵的量來估量雜亂程度；物理學最基本的定律是，一個封閉系統的熵總是永遠增加的（熱力學第二定律）。

在一個有外部能量來源的開放系統中可以避開這條定律。第二定律似乎在地球上受到了破壞，因為生物在生長，人能夠把一堆磚變成一種秩序得多的結構，如房屋。但所有者一切都依賴於能量的輸入，去來源就是太陽。地球上的熵減少遠小於與太陽內部的核聚變反應和太陽向空間輻射熱量相聯繫的熵增加。整個宇宙的熵隨時間的流逝而增加——也就是，同較低熵的宇宙狀態相比，擁有較高熵的狀態對應著未來方向。

同一個時間之箭以另一種方式表現在宇宙結構中。宇宙在膨脹（即紅移），所以星系彼此分開越來越遠。同星系靠得比較近的宇宙狀態相比，星系分開比較遠的狀態就處在未來的方向。首要的時間之箭系大爆炸本身所規定——不管你在宇宙的何時何地，大爆炸總是在時間的過去方向。不知什麼緣故，宇宙從大爆炸中浮現時，她的熵足夠低，使得恆星、行星和人類得以形成；從那以後它就逐漸衰竭。熱量不能從較冷的物體流向較熱的物體（第二定律的另一種表述），所以明亮恆星的能量是單向流進冷的宇宙。當宇宙中所有恆星及其他能量來源停止提供熱量，這個宇宙就將進入任何東西都不變化的溫度均勻狀態。宇宙將遭受“熱寂”。

這突出了另一個考察時間之箭和熵概念的方法。一個封閉系統（或這個宇宙）中的能量是不會改變的——這是熱力學第一定律。即使質量按照愛因斯坦公式E=mc^2轉化為能量，但質量被認為是能量的一種儲存形式，所以並沒有創造“新”能量。於是，第二定律告訴我們的就是，封閉系統內的任一相互作用中的“有用”能量是減少的。

有用能量就是能夠做功的能量。例如，當酒杯從桌子上跌落時，原則上可以將它與一個能夠帶動發電機的皮帶輪系統連接，把下落酒杯的引力能轉化為電能。但是，當杯子是自由下落是，這一潛在的有用引力能就轉變為運動的能量（動能）。當杯子撞擊地面而破碎時，杯子和地面的原子和分子將被激發而更快的振動，於是這一動能轉化成熱而浪費掉。最後，這一熱能化為紅外輻射，在空間耗散，永遠不可能用來做有用的功。我們永遠看不到從太空來的輻射能夠使地面和杯子碎片的原子和分子恰如其分地擺動，把玻璃碎塊結合成酒杯，並讓它跳回到桌子上。就算我們能讓下落的杯子帶動發電機去做有用的功，一部分能量也將因摩擦生熱而損失掉。任何能量轉化過程都不是完全的，這就是為什麼我們永遠做不出永動機（比如用下落杯子發的電驅動一個馬達將杯子重新提升到桌面上）。

但是我們仍然面對一個難題，就是當杯子掉下摔碎時，涉及一對原子或分子的每種相互作用原則上都是可以反轉的。可實踐中為什麼從來不發生這樣的情形呢？一種可能是，過程並非絕對不可能“反演”，只是必然反演的可能性微乎其微罷了。

將下落的酒杯放在一邊，來考慮一個比較簡單的系統——用隔板分成兩半的箱子，隔板的一邊有氣體，另一邊是真空。如果把隔板拿走，氣體將擴散到充滿整個箱子（隨便說一下，氣體擴散時將稍稍變冷——這是冰箱的工作原理）。不管你坐下來觀察箱子多長時間，你永遠別想看到氣體的所有分子和原子返回到箱子的一半，而讓另一半空著。然而箱子中任意兩個粒子之間的每次碰撞原則上都是可以反轉的。如果我們能揮動魔術棒將每個粒子的運動反轉，氣體就必定返回到它原來的地方。

19世紀時，法國物理學家亨利·潘加勒（Henri Poincare,1854-1912）證明，關閉在箱子中的這樣一種“理想”氣體最終必然通過熱力學定律允許的所有可能的粒子排列。只要原子和分子來回蹦跳，它們遲早會採取任何允許的排列，包括全部氣體僅僅佔據一半箱子的排列。如果我們等待足夠久，系統就將回到它的起始點，時間也就好像是反向流動了。

這裡的關鍵是“足夠久”，所有來自通過所有可能排列需要的時間叫做潘加勒周期，它與箱子中的粒子數量有關。即使小小一箱子氣體也可能有1*10的二十二次方個個原子。如此多的原子要通過所有可能的排列，需要的時間將比宇宙年齡長得多。表示潘加勒周期典型值得數含有的零比全部已知星系的恆星加起來還要多，這就說明，你看到箱子中的氣體按照某個特定方式排列或等到杯子跳回到桌面上的機會是多麼的小。

所以，對世界為什麼在微觀尺度上可以反轉而宏觀上不能反轉（為什麼時間之箭只指著一個方向）這個難題的標準“答案”是，熵增加定律是一個統計定律；熵的減少並非完全被禁止，而是可能性極低。

這導致奧地利物理學家路德維格·波耳茲曼（Ludwig Boltzmann,1844-1906）——也是在19世紀——認為宇宙可能是一個巨大的統計怪物。設想一種熱寂已經發生、一切事物都是均勻的場景，那麼根據波耳茲曼對潘加勒工作的解釋，宇宙一個部分中的所有粒子有時會偶然地正好走上能夠產生恆星或大爆炸的正確道路。總之，在宇宙的這樣一個區域中，時間暫時反向流動，從混亂中創造秩序。然後，這個低熵泡將在返回更可能的狀態時“放鬆”。

這個思想沒有得到當今宇宙學家的認真對待。雖然它與恆穩態假說中各種形式的模型有相似之處，卻被大爆炸模型取代了；阿得雷德大學的保羅·戴維斯（Paul Davies）指出的，它仍然包含了洞察時間本質的極富魅力的見解。

如果時間之箭永遠指向熵增加方向，在波耳茲曼泡增長時說時間“倒流”就沒有意義。在令人感興趣的宇宙區域中，一位智能觀察者仍然能感受到指向高熵熱寂狀態的時間之箭。換言之，即使宇宙過去“真正”是坍縮而不是膨脹，是向奇點運動而不是離開它，像我們這樣的智能觀察者仍然能夠領悟，“未來”是星系分開更遠時的時間。

這並非單純哲學上的吹毛求疵，因為大爆炸模型的若干變種認為，我們宇宙的膨脹將在某天停止，然後轉為收縮。如果發生這種情況，時間本身會倒流嗎？如果時間倒流，智能觀察者能注意到嗎？或者，在宇宙收縮時，他們仍將覺得是居住在膨脹宇宙中嗎？也許，我們真是居住在一個收縮的宇宙中而一直沒有察覺！

保羅·戴維斯著《奔逃的宇宙》；菲利普·狄克著《逆時鐘世界》；伊利亞·普里果金和伊莎貝爾·斯坦格斯著《混亂中的秩序》。