多重宇宙示意圖

　　時間就像空氣一樣，與我們?nèi)缬跋嚯S。我們居住的世界受時間的掌控，從最小的細胞到遙遠的星系，整個宇宙都受制于恒常時間的脈動。由于時間無所不在，我們自認為了解時間，我們知道時間是有規(guī)律的，而且朝一個方向運動等等，但是，我們所認為的這些理論都是真實的嗎？

　　隨著我們對時間的了解越多，我們就會越不安，時間就像一個籠罩著多層面紗的神秘女郎：為什么時間只朝一個方向行進？時間是真實的存在，還是只是我們的臆想？時間旅行可以實現(xiàn)嗎？時間如何開始？時間會終結嗎？

　　這篇發(fā)表于英國《新科學家》雜志的文章將時間掀了個底朝天，揭開了面紗后的時間的“真容”，將宇宙間最神秘的維度——時間的過去、現(xiàn)在和未來展現(xiàn)在我們面前，同時也為我們講述了一段人類在時間這個維度的奇異之旅。其實，隨著我們對時間了解更多，我們會發(fā)現(xiàn)，對我們來說，時間是多么特別的存在，正是時間讓人類變得如此獨特。

　　最熟悉的陌生人

　　更好地理解時間，不僅能讓我們將過去、現(xiàn)在和未來聯(lián)系起來，也能讓我們收獲更多。

　　科學往往借助一些概念來理解世界，在這些概念中，時間以其深度、神秘性和自相矛盾而著名。但與此同時，時間也是我們最熟悉的事物之一，不僅對科學研究來說如此，對我們庸常的日常生活來說也如此。

　　“那么，什么是時間呢？”14世紀，古羅馬帝國時期的基督教思想家圣·奧古斯丁提出的這個問題振聾發(fā)聵。圣·奧古斯丁說：“如果沒有人問我，我知道時間是什么；但我無法對提問者解釋時間是什么？這真是一個只可意會不可言傳的問題。”

　　自從圣·奧古斯丁提出這一問題以來，科學家們在理解時間方面取得了很大的進步，也提出了一些非常激進的新概念。例如，愛因斯坦的相對論已經(jīng)證明，如果一個人行走的速度達到一定的高速，時間會行進得更慢；相距遙遠的兩個事件是否同時發(fā)生也并非一個客觀事實，而與觀察者的觀察角度相關；另外，愛因斯坦在《廣義相對論》和《狹義相對論》中也指出，我們的宇宙是由時間和空間構成。時空的關系，是在普通三維空間的長、寬、高三條軸外多了一條時間軸，而這條時間的軸是一條虛數(shù)值的軸。

　　主流理論認為，天文學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，時間可能有一個起點，在宇宙大爆炸內(nèi)，但時間可能沒有終點。神經(jīng)心理學們則揭示，我們能在轉瞬間對記憶進行重新排列以便改變我們要記住的事件的發(fā)生順序；而且，在我們做出決定之前，通過大腦掃描可以探測出我們這個決定是什么。

　　哲學家也因此得出了一些與意識（這本身就是人類的另外一個未解之謎）和自由意志有關的令人不安的結論。他們認為，沒有什么客觀存在的事物能將此刻與其他時刻區(qū)別開來；盡管時間不斷流動這一觀念根植于人們的常識中，但它本身是一個無意義的謬論。然而，量子理論中的多重宇宙觀點卻指出，時間的瞬間，比如“昨天這個時候”也是平行宇宙，也就是說，在其他宇宙內(nèi)可能也存在與此一模一樣的“昨天這個時候”，只是因為我們的宇宙中的“昨天這個時候”對我們的影響更大，因此能與其他時刻劃清界限；而且，時間旅行也并非人們所以為的那么荒謬絕倫。

　　有人曾期望上述進展能回答圣·奧古斯丁提出的“時間是什么”這一問題。但是，科學已經(jīng)獲得的影響深遠的發(fā)現(xiàn)不僅否認了我們的直覺，也提出了很多新的更復雜的問題。

　　例如，量子理論似乎對相對論的時空統(tǒng)一“滿懷敵意”。愛因斯坦的相對論和量子理論一起構成了我們對物理世界最深層次的理解，然而，這兩個理論對時間的理解卻相互矛盾，這正是科學家們構建出“萬物之理”的核心困難，幾十年來，他們一直在殫精竭慮地追求這一理論。

　　另外，已知的運動法則將未來和過去看成是對稱的，然而，幾乎我們在自然界中看到的所有事物都擁有能區(qū)分過去和未來的“時間之箭”：先有因再有果；計算機程序接受輸入后才會給出輸出值；襪子變臟，清洗襪子的洗衣機要從電網(wǎng)獲取能量等，絕不會出現(xiàn)相反的情況。

　　上述謎團之間錯綜復雜的關系使得其中某一個概念上取得的突破很難牽一發(fā)而動全身，讓其他問題迎刃而解。不過，科學家們表示，隨著科學技術的不斷進展，籠罩在時間身上的謎題必然會被全部揭開。

　　時間是什么？幻象還是現(xiàn)實

　　時間是什么呢？很多人都曾在有意無意間問過這個問題，而從古老的哲學家到啟蒙時期的科學家再到現(xiàn)在的研究人員也都對此進行了“千萬次的問”。

　　然而，科學家們經(jīng)過數(shù)千年的上下求索之后，仍然沒有就時間的本質究竟是什么達成共識。哲學家朱利安·巴博表示：“我們能感知時間但無法理解時間。關于時間是什么或者如何解決這一問題，人們幾乎很難達成共識，這真是一件不同尋常的事情?！?/p>

　　這可能是因為，迄今為止我們的科學研究取得的進步并不需要深刻理解時間。例如，在物理學領域，牛頓的運動法則、愛因斯坦的廣義相對論以及量子理論并不需要知道時間的本質就可以在各自的領域通行無阻，而且，即使鐘表制造商們也不需要理解時間就能做出精美絕倫的計時器。

　　然而，鐘表卻在無意間給我們透露了一點信息，為我們指明了努力的方向，因為鐘表需要某些運動零件來測量時間的流逝，這些運動零件包括鐘表的擒縱系統(tǒng)（動力傳遞最后一步到達擒縱系統(tǒng)，擒縱系統(tǒng)又控制著鐘表儲備動力的釋放頻率和速度，從而達到鐘表精確走時的效果）。這就告訴我們，當某些事物運動時，鐘表會發(fā)生變化。因此，時間是與某些改變的事物糾纏在一起的。但是，也僅僅如此而已。不過，從這一點來說，我們會對時間產(chǎn)生兩種截然不同的看法。

　　第一種結論認為，時間是宇宙一個真實而基本的屬性。與空間和物質一樣時間，本身就存在，它為我們提供了一個供各種事件發(fā)生的框架。艾薩克·牛頓就是這一觀點的擁護者，他認為，為了量化運動，我們必須將時間看成是像屋子里的墻壁一樣真實存在的物體。只有那樣，我們才能準確地測量物體的運動速度究竟有多快，運動距離究竟有多遠。

　　然而，愛因斯坦則通過證明觀察者的運動以及施加在他和時間上的重力強度的不同，證明時間會以不同的速度流逝，從而堅決摒棄了牛頓的觀點。愛因斯坦的理論不僅摒棄了空間和時間本身就存在這一觀點，并且走得更遠，他說：“時間只是一個頑固存在的幻象?！比欢?，時空仍然能為測量宇宙參數(shù)提供有用的參考框架。物理學家布萊恩·葛林也在《優(yōu)雅的宇宙》一書中寫道：“時空當然是某種真實的存在?！?/p>

　　愛因斯坦的理論導致了一個觀點，那就是，改變是宇宙的基本屬性，而且，時間源于我們?yōu)榱俗屩車绨自粕n狗般不斷變化的世界井井有條所付出的精神努力。牛頓的對手、16世紀德國偉大的哲學家、科學家戈特弗里德·威廉·凡·萊布尼茨也支持這套解釋——時間并非真的存在，而是由我們的大腦所創(chuàng)造。因此，我們現(xiàn)在進退兩難了：時間是真實的嗎？

　　物理學家們和哲學家們?nèi)匀辉谶@一問題上爭論不休，而量子力學的出現(xiàn)更是雪上加霜，讓人們更加困惑。不過，科學家們認為，這一問題的答案有可能讓我們創(chuàng)建出能解釋自然界中所有粒子和力的“萬物之理”。

　　不過，即使我們解決了這一問題，也將會有另一個大問題接踵而至。如果時間真的存在，那么，時間來源于何處呢？迄今為止，大多數(shù)物理學家們認為，宇宙大爆炸制造了時間、能量和空間。因此，任何認為時間在大爆炸之前就已經(jīng)存在的觀念都是不正確的。然而，這些物理學家們現(xiàn)在也開始對這一觀點產(chǎn)生懷疑了。美國加州理工學院的科學家肖恩·卡羅爾表示：“我們無權宣稱，宇宙和時間在大爆炸時開始，或者，在大爆炸之前開始。這兩種觀點都有人擁護，但就我個人而言，我認為宇宙會永遠持續(xù)下去?！?/p>

　　最新冒出的弦理論讓人們開始重新認識這些問題。弦理論是現(xiàn)在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統(tǒng)一起來的理論，很多科學家認為，弦理論有可能成為終極理論。弦理論認為，現(xiàn)實不僅只包含我們所熟知的四個維度，盡管我們無法直接看見另外那些維度，但是，它們?yōu)槠渌钪娴拇嬖谔峁┝丝臻g。這些宇宙分別形成于一系列的宇宙大爆炸，這意味著，我們的宇宙源于其他宇宙，這樣說來，時間的確在宇宙大爆炸之前就已經(jīng)存在。以前的宇宙甚至可能為我們留下了一些與現(xiàn)在的宇宙有關的“蛛絲馬跡”。

　　2008年，卡羅爾和同事指出，宇宙大爆炸留下的輻射中的一些“奇特物質”可能就是更早的宇宙留下的線索。接著，2010年11月，英國牛津大學數(shù)學系的教授羅杰·彭羅斯和亞美尼亞埃里溫國立大學的瓦赫·古薩德楊報告稱，他們在宇宙微波背景輻射中發(fā)現(xiàn)了一個同心圓，這里的溫度變動遠低于預期，這暗示著宇宙微波背景微射各向異性并不是完全隨機的。他們解釋說，宇宙微波背景輻射的同心圓結構支持我們可能生活在一個周期性宇宙這一可能性，處于一次地質年末期的宇宙可能引發(fā)了另一次宇宙大爆炸，開啟了另一次地質年，這一過程會無限期地重復。

　　高能物理學界和宇宙學界最為倚重的兩個“龐然大物”是歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）和歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星。普朗克衛(wèi)星將在幾年內(nèi)公布其測量的宇宙微波背景輻射的圖片，屆時，我們將有機會驗證上述諸多想法。普朗克衛(wèi)星會測量出宇宙微波背景輻射每50萬年的漲落，這樣的精確度比美國國家航空航天局（NASA）的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）還要好三倍。威爾金森微波各向異性探測器的目標是找出宇宙微波背景輻射的溫度之間的微小差異，以幫助測試有關宇宙產(chǎn)生的各種理論。

　　此時此刻，我們無法避開解決上述問題將要面對的重重困難，我們也無法想象答案將會對我們產(chǎn)生多么深遠的影響?，F(xiàn)在，我們唯一知道并且應該承認的就是，我們以前太忽視時間了。

　　為什么時間總朝著一個方向疾馳？

　　向前邁出幾步，接著向回走到原點，沒問題；而讓幾秒鐘過去接著讓它轉身并退后幾秒回到原點，可能嗎？當然不。這一點我們都很清楚，與空間不同的是，時間只有一個方向，它從過去流到現(xiàn)在，從來不走回頭路。

　　所有這一切聽起來好像都是自然界固有的順序，但是，如果你更仔細地觀察自然，你將發(fā)現(xiàn)情況并非如此。在物理學法則中似乎并沒有發(fā)現(xiàn)這樣的時間之箭。例如，使用牛頓力學法，你可以知道從過去扔過來的球未來會出現(xiàn)在什么地方。在粒子領域，如果把未來和過去互換，統(tǒng)治粒子行為的法則和力也不會發(fā)生變化。

　　澳大利亞悉尼大學的物理哲學家迪恩·里克斯說：“真正令人覺得奇怪的事情是，足以為我們所看到的世界負責的物理學法則，在過去和未來一樣能起作用，時間之箭似乎對其并沒有影響。”

　　如果時間之箭不存在于物理學法則中，那么，它源于何處呢？大量粒子間復雜的相互關系提供了一個重要的線索。你周圍的萬事萬物，包括你自己，都由很多粒子集合而成。這些粒子并非無所事事地環(huán)繞在你周圍，它們在持續(xù)不斷地進行交雜和重新排列。

　　物理學家們會給任何宏觀系統(tǒng)，比如一灣水或一塊冰晶賦予一個熵值。熵指的是體系的混亂程度，它在控制論、概率論、數(shù)論、天體物理學、生命科學等領域都有重要應用。1850年，德國物理學家魯?shù)婪颉た藙谛匏故状翁岢鲮氐母拍?，熵值反映了在不改變整個系統(tǒng)外觀的情況下，組成該系統(tǒng)的粒子可以采用多少種方式進行重新排列?？梢圆捎枚喾N方式對水分子進行排列從而制造出一灣水，因此一灣水就是熵值很高的系統(tǒng)。相反，必須采用非常精確的排列方式才能獲得一塊冰晶，因此冰晶就是熵值比較低的系統(tǒng)。

　　純粹從統(tǒng)計學角度而言，高熵值系統(tǒng)比低熵值系統(tǒng)存在的可能性要大一些，因為有更多方式可以制造它們。

　　盡管熵值的增加是一個統(tǒng)計現(xiàn)象而非基礎現(xiàn)象，但是，這足以產(chǎn)生一個強大的物理學法則——熱力學第二法則。該法則認為，宇宙的熵從來不會減少。你可能會認為，從過去到未來的時間之箭的關鍵就是從低熵值到高熵值的穩(wěn)定前進。

　　要是情況真這么簡單就好了。不幸的是，熱力學第二法則并沒有真正解釋時間之箭。它只是表明高熵狀態(tài)比低熵狀態(tài)存在的可能性更大。時間與此并沒有關系，這意味著從現(xiàn)在開始，5分鐘后的世界的熵更高，5分鐘前的世界也是如此。

　　那么，解釋時間之箭的唯一方式是假定宇宙僅僅開始于一個完全不可能的低熵狀態(tài)。如果情況不是如此，那么，時間將會被黏住，包括我們自己在內(nèi)的萬事萬物可能都不會出現(xiàn)。法國理論物理學研究中心的卡洛·洛華利表示：“時間之箭依賴于一個事實，那就是，宇宙采用一種非常獨特的狀態(tài)突然出現(xiàn)。要是宇宙開始于一種隨機狀態(tài)，那么，就沒有什么事情能夠區(qū)別過去與未來了?！?/p>

　　實際上，科學觀察證明，宇宙確實源于一種熵極低的狀態(tài)。大爆炸留下的輻射為我們提供了宇宙嬰兒時期的“快照”。它表明，在時間即將開始時，物質和輻射都非常光滑地貫穿整個太空。乍一看，這似乎是一個高熵狀態(tài)，然而，將重力考慮在內(nèi)后才發(fā)現(xiàn)情況并非如此。

　　重力就像熱心的紅娘一樣，始終想將萬事萬物拉攏在一起，因此，在一個由重力統(tǒng)治的系統(tǒng)內(nèi)，黑洞是一種更可能會出現(xiàn)的狀態(tài)，因此，其比光滑分布具有更高的熵。如此一來，這種熵值低的平滑狀態(tài)就不太可能存在，那么，我們?yōu)楹稳绱诵疫\誕生了呢？里克斯說：“如果我們能夠解釋為何過去的熵值低，那么，我們就一定能破解時間之箭的難題。”

　　天文學家們確實能解釋我們在早期宇宙中看到的平滑狀態(tài)。他們說，在時間開始后的瞬間，宇宙經(jīng)歷了一個非常簡短但非常劇烈的膨脹，也就是我們現(xiàn)在所知的暴脹，其讓空間像一塊膠板一樣展開并且撫平了所有的褶皺。

　　暴脹似乎能解釋上述兩難困境。但是，當我們更進一步地進行檢查時卻發(fā)現(xiàn)，它只是將這個問題又重新推了回來。因為為了暴脹能以正確的方式出現(xiàn)并制造出我們現(xiàn)在所在的宇宙，驅動暴脹的場——暴脹場必須擁有很多非常不可能存在的特征。因此，盡管暴脹場能解釋低熵宇宙的神秘，但它自己的熵也很低，那么物理學家們該如何解釋這一點呢？

　　一個可能的解釋是，暴脹不止發(fā)生了一次。也就是說，暴脹場很有可能以一種混沌、高熵狀態(tài)而開始，因此，其各處的屬性不一樣。低熵暴脹產(chǎn)生了我們的平滑宇宙，因此，在一個更大、更高熵的場中，時間之箭只是一個隨機現(xiàn)象。這個場的某些部分可能擁有合適的環(huán)境，因此產(chǎn)生一個類似于我們居住的宇宙這樣的宇宙，而這個場的其他部分則寸草不生或者產(chǎn)生了其他宇宙。

　　實際上，暴脹場的物理學原理可以確保其一直能留下足夠多的物質，制造出更多宇宙，科學家們表示，在此基礎上，多重宇宙的概念應運而生。

　　有多條線索最后都指向多重宇宙，這就使很多宇宙學家開始認真思考這一概念。在多重宇宙中，有些宇宙會擁有時間之箭，而有些宇宙則沒有。對于我們剛好身處一個擁有時間之箭的宇宙中，我們并不應該感到吃驚，因為，那是唯一一類能孕育生命的宇宙。加州理工學院的科學家肖恩·卡羅爾表示：“這是我最喜歡看到的情景。多重宇宙這一觀點盡管還并不廣為人知，但我相信，在不遠的將來，每個人都會相信這一點的?！?/p>

　　即使多重宇宙能夠解釋時間之箭，但是，仍然還有很多謎團需要解開。例如，熱力學第二法則如何與宇宙的量子天性相吻合？量子系統(tǒng)似乎展示出了它們自己的一類箭：科學家們一直通過將可能出現(xiàn)的狀態(tài)疊加在一起直到一個測量系統(tǒng)神秘地選擇其中一個獨特的狀態(tài)（這一疊加到選擇的過程顯然又是不可逆轉的）這一思路來定義量子系統(tǒng)。神經(jīng)科學也有一些未解之謎，比如，為什么人類的大腦僅僅記得過去發(fā)生的事情而不知道未來發(fā)生的事情呢？

　　卡羅爾說：“理解時間之箭如何在大量的環(huán)境中（進化、衰老、記憶、因果關系、復雜性）表現(xiàn)自身仍然是一個未解之謎，希望物理學家們在未來能為我們提供更多答案?！?/p>

　　獲得萬物之理倒計時

　　時間持續(xù)不斷地流逝、捉摸不定，而且，最讓人抓狂的是，時間很難定義。時間不僅是最大的存在之謎之一，而且，也是回答創(chuàng)建物理學界最富野心的挑戰(zhàn)——萬物之理的關鍵。100年來，科學家們一直希望構建出這套優(yōu)雅的理論來闡述整個龐大宇宙的運行規(guī)律。萬物之理會將描述空間和時間運行規(guī)律的愛因斯坦廣義相對論和非常詭異但使人非信不可的描述物質物理學的量子力學結合在一起。

　　然而，廣義相對論和量子力學理論對時間的闡釋迥然不同，這種差異也是它們很難聯(lián)姻的主要原因。如果我們希望在創(chuàng)建萬物之理的努力上有所突破，我們就必須放棄某些事情。有些人猜想，我們必須放棄的可能是時間。

　　大約100年前，愛因斯坦就已經(jīng)證明，時間并非像我們所以為的那樣是現(xiàn)實的基本組成部分。愛因斯坦的廣義相對論將時間和空間縫合成名為時空的統(tǒng)一實體，在物質或能量出現(xiàn)時，時空會伸展、起褶皺，產(chǎn)生像重力一樣的時空曲率。但是，時空又存在一個悖論，那就是，時空作為一個整體無法隨著時間而演進，因為它是時間，沒有鐘表能位于宇宙之外。

　　廣義相對論告訴我們，隨著時間的流動，我們的經(jīng)歷是用拼綴圖方式產(chǎn)生的一類幻象，在這種方式中，不同的觀察者使用各自不同的觀察角度，將結合在一起的時空切割成時間和空間。

　　而在量子力學領域，情況則截然不同。在廣義相對論中，時間被包含在一個系統(tǒng)內(nèi)，而量子力學則要求一塊鐘表位于該系統(tǒng)外，宇宙中的秒鐘滴答過去的方式對所有的觀察者來說都完全一樣。那是因為量子系統(tǒng)由波函數(shù)來描述，波函數(shù)能給出一個人可能選擇何種測量方式以及可能得到何種結果，而且，這些波函數(shù)會隨時間而演進。

　　隨著時間的流逝，各種可能性都保持一致，這是量子力學的一個基本規(guī)則。為了執(zhí)行這些規(guī)則，波函數(shù)內(nèi)所涉及的時間必須唯一，而且，對每個人、每件事來說都一樣。

　　為了能順利將廣義相對論和量子力學結合起來，我們需要采用同一個時間觀點，但是，哪一個是正確的呢？

　　不同的人會對這一問題給出不同的答案。有些人認為，愛因斯坦一定是對的，需要修改量子理論。法國理論物理研究中心的卡洛·洛華利為此已經(jīng)修改了量子力學的規(guī)則，根本不需要再提到時間。洛華利說：“對我來說，這一問題的解決辦法是，在自然界的基本層面上根本不存在時間?！卑凑账挠^點，量子力學并不需要描述物理系統(tǒng)隨時間如何演進，只需要描述它們相對于其他系統(tǒng)（比如觀測者或測量設備）如何演進就可以了。他說：“物理學家們并不知道每時每刻月球是如何通過天空的，但知道月球在天空中相對太陽是如何運動的。時間在我們的腦海中，并不在基本的物理學現(xiàn)實中?！?/p>

　　當然，也有人持不同的意見。加拿大理論物理學院的物理學家弗提尼·馬可波羅-卡拉馬拉認為，時間確實存在于現(xiàn)實最基本的層面，但是，為了與時間相符，空間必須遠走高飛。在她的名為量子引力圖論的模型中，現(xiàn)實的基本組成元素是按時間順序排列的量子事件，而且，從這些量子事件中，空間、重力以及愛因斯坦的理論都有望在更大層面上以及能量更低的狀態(tài)下出現(xiàn)。在這個場景中，量子理論贏得了時間之戰(zhàn)，并且因此，相對論不得不俯首稱臣。

　　而對另外一些人來說，宣稱量子機制或相對論誰是最后的贏家還為時尚早。澳大利亞悉尼大學的哲學物理學家迪恩·里克斯認為，這兩種理論都不對，他說：“時間很可能源于某些更深層次、更原始的、非塵世的事物?！崩锟怂拐f：“至于創(chuàng)建出萬物之理，我們還有很長的路要走，但是，時間概念似乎非常關鍵?！?/p>