我們的宇宙看起來有點兒不太正常。這句話聽起來很怪，畢竟宇宙學(xué)家沒有多少可以拿來比較的標(biāo)準(zhǔn)。我們怎么知道正常的宇宙應(yīng)該是什么樣子？不過多年來，我們已經(jīng)培養(yǎng)出了一種強烈的直覺，能夠判斷什么才算“正?！薄覀兯姷挠钪娌⒉环线@種直覺標(biāo)準(zhǔn)。

千萬不要誤會，宇宙學(xué)家在理解宇宙方面并沒遇到困難。相反，他們?nèi)〉昧肆钊穗y以置信的成功，不僅分析出宇宙由什么構(gòu)成，還闡明了宇宙如何演化而來。大約140億年前，宇宙的溫度之高、密度之大，遠遠超過恒星內(nèi)部的極端環(huán)境；隨著空間結(jié)構(gòu)的膨脹，宇宙逐漸冷卻，物質(zhì)也日益稀薄。這一模型可以解釋我們觀測到的所有現(xiàn)象，不過仍有少量異常特性，特別是早期宇宙的若干特點，暗示宇宙中還存在一些我們沒有理解的東西。

宇宙的種種“不正?！敝校钔怀龅哪^于時間的不對稱性。描述宇宙種種變化過程的微觀物理法則并不區(qū)分過去與未來，而熾熱、致密、物質(zhì)均勻分布的早期宇宙卻與今天寒冷、稀薄、團塊叢生的宇宙截然不同。宇宙最初是有序的，此后便一步步走向無序。時間的不對稱性，也就是從過去指向未來的時間箭頭，在我們的日常生活中表現(xiàn)得淋漓盡致：它可以解釋為什么我們無法把煎蛋卷還原成雞蛋，為什么杯子里的水不會自己凍結(jié)成四方形的冰塊，為什么我們記住的是過去而不是未來。我們所經(jīng)歷的這種時間不對稱性，源頭可以一直追溯到大爆炸剛剛發(fā)生時宇宙整潔有序的狀態(tài)。

可以說，對于最明顯的宇宙特性——時間箭頭，宇宙學(xué)家目前還無法解釋。不過，這一謎題暗示，除了我們的可觀測宇宙之外，還存在一個我們無法觀測的時空，比我們的宇宙大得多。時間箭頭支持這樣的觀點：我們所在的宇宙其實是多重宇宙的一部分，多重宇宙的動力學(xué)可以幫助我們解釋那些在我們的宇宙中看起來不太正常的特征。

物理學(xué)家把時間不對稱性的概念融入到著名的熱力學(xué)第二定律之中，該定律可以表述為：一個封閉系統(tǒng)的熵（entropy）永遠不會減小。大體上說，熵可以度量一個系統(tǒng)的混亂程度。19世紀(jì)，奧地利物理學(xué)家路德維格·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）用物體的微觀狀態(tài)與宏觀狀態(tài)間的差異來解釋熵。如果讓你描述一杯咖啡，你提到的很可能就是它的宏觀狀態(tài)，比如溫度、壓強和其他整體性質(zhì)；而微觀狀態(tài)是指這杯咖啡中每一個原子的確切位置和速度。任何一種宏觀狀態(tài)，都有許多微觀狀態(tài)與之對應(yīng)：我們可以把一個原子挪來挪去，沒有人會在宏觀尺度上注意到這些變化。

熵是對應(yīng)于同一種宏觀狀態(tài)的不同微觀狀態(tài)的數(shù)目。（確切地說，熵是這一數(shù)目的對數(shù)。）因此對于一定數(shù)目的原子來說，讓它們排列成高熵狀態(tài)要比排列成低熵狀態(tài)更容易，因為前者的排列方式更多。設(shè)想把牛奶倒入咖啡中。讓牛奶和咖啡充分混合的分子排布方式難以盡數(shù)，而讓牛奶與周圍的咖啡涇渭分明的分子排布方式相對來說就少得多。因此兩者充分混合時，系統(tǒng)的熵更高。

從這個觀點出發(fā)，熵趨向于隨時間增大也就不足為奇了。系統(tǒng)的任何一種改變都相當(dāng)于重新選擇微觀狀態(tài)，而高熵狀態(tài)的數(shù)量遠遠超過低熵狀態(tài)，因此隨機選中低熵狀態(tài)的可能性低得可以忽略不計，系統(tǒng)幾乎總是會選中某一高熵狀態(tài)。這就是牛奶和咖啡可以混合，混合后卻不會自然分離的原因。盡管從物理上說，所有的牛奶分子可能自發(fā)聚集排列在一起，但從統(tǒng)計上講，這種可能性幾乎為零。如果你想等分子的隨機運動碰巧使牛奶和咖啡彼此分離，等待的時間往往比可觀測宇宙目前的年齡還要久。時間箭頭僅僅是系統(tǒng)向某個數(shù)量更多、更自然的高熵狀態(tài)演化的趨勢而已。

不過，解釋低熵狀態(tài)為什么會向高熵狀態(tài)演化是一回事，解釋我們宇宙中的熵為什么會增長卻是另外一回事。問題依然存在：為什么宇宙形成之初熵很低？由于低熵狀態(tài)十分罕見，這一點也就顯得極不正常。即便承認我們的宇宙今天仍處于中熵狀態(tài)，也無法解釋為什么過去的熵比現(xiàn)在更低。多種不同的初始狀態(tài)都可以演化出類似的宇宙，其中高熵初始狀態(tài)占據(jù)了絕大多數(shù)，遠遠壓倒了低熵初始狀態(tài)。

換句話說，真正的挑戰(zhàn)不在于解釋宇宙的熵為什么明天比今天高，而在于解釋為什么昨天比今天低，而前天又比昨天更低。我們可以遵循這種邏輯一直逆推到可觀測宇宙的時間開端。因此，時間的不對稱性最終是一個需要用宇宙學(xué)來解答的問題。

早期宇宙非?！霸幃悺薄?gòu)成我們今天可觀測宇宙的所有粒子，當(dāng)初都被擠壓在極端熾熱、致密的一個狹小空間之內(nèi)。最重要的是，這些粒子在整個空間中的分布都極為均勻。平均而言，不同地點的密度差異僅有大約十萬分之一。隨著宇宙的膨脹和冷卻，引力作用逐漸“放大”了這些差異。最初粒子數(shù)量稍多一些的區(qū)域形成了恒星和星系，而粒子數(shù)量稍少一些的區(qū)域則被清空形成了空洞。

很明顯，引力是宇宙演化的關(guān)鍵因素。可惜，我們還無法完全理解與引力有關(guān)的熵。引力源于時空的幾何形狀，不過我們目前還沒有找到一個全面的時空理論——那是量子引力論苦苦追尋的目標(biāo)。盡管我們可以把液體的熵與構(gòu)成該液體的分子的運動狀態(tài)聯(lián)系起來，我們卻不知道空間由什么構(gòu)成，因此也就無法了解對應(yīng)于某一宏觀狀態(tài)的引力微觀狀態(tài)究竟有多少。

不過，對于熵的演化，我們已經(jīng)有了一個粗略的概念。在引力可以忽略的情況下（比如說一杯咖啡），均勻分布的粒子擁有高熵。這種情形就是平衡態(tài)。就算粒子進行重新分布，它們也早已混合得十分徹底，從宏觀上幾乎看不出任何變化。不過，如果引力不可忽略且空間體積固定的話，粒子均勻分布時熵卻相對較低。在這種情況下，系統(tǒng)遠沒有達到平衡。引力會使粒子聚集成恒星和星系，熵也會隨之顯著增長——與熱力學(xué)第二定律相符。

事實上，在引力不可忽略的固定空間中，如果要讓熵達到最大，最終我們會得到一個黑洞。20世紀(jì)70年代，英國劍橋大學(xué)的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）證明了目前在以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)（Hebrew University of Jerusalem）任教的雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）提出的一個誘人假設(shè)：黑洞完全符合熱力學(xué)第二定律。就像第二定律最早提出時用來描述的熾熱物體一樣，黑洞也會發(fā)出輻射，也有熵——很多的熵。銀河系中心的超大黑洞質(zhì)量是太陽的100萬倍，它所擁有的熵則是可觀測宇宙中所有普通粒子總熵的100倍。

最終，就連黑洞也會通過霍金輻射“蒸發(fā)”殆盡。黑洞的熵并不是最高的，僅僅是約束在固定空間內(nèi)的最高熵。不過，宇宙中空間的增長似乎是永無止境的。1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在加速。對此最直接的解釋就是宇宙中存在暗能量，這種能量存在于真空之中，似乎不會隨宇宙的膨脹而有所稀釋。這并不是對宇宙加速膨脹的唯一解釋，不過尋找其他更好答案的努力目前仍毫無建樹。

如果暗能量確實不會稀釋，宇宙將永遠膨脹下去。遙遠的星系將從我們的視野中消失。那些不會坍縮成黑洞的物體，最終也會蒸發(fā)，消失在周圍的黑暗之中，就像炎炎夏日里的小水坑逃脫不了注定干涸的命運一樣。最終宇宙將變成一片虛空，真正意義上的空無一物。只有到那個時候，宇宙的熵才能達到最大。宇宙將處于平衡狀態(tài)，幾乎不會再發(fā)生任何事情。

空無一物的空間卻擁有極大的熵，這一點聽起來很奇怪，簡直就是在說，世界上最雜亂的課桌是那些桌面上什么都沒有的課桌。不過，真空確實擁有大量微觀狀態(tài)——這些量子引力微觀狀態(tài)構(gòu)成了空間的幾何結(jié)構(gòu)。我們還不知道這些狀態(tài)究竟是什么，也不清楚黑洞的熵對應(yīng)的微觀狀態(tài)是什么，不過我們清楚地知道，在一個加速膨脹的宇宙里，可觀測空間區(qū)域內(nèi)的熵將趨近于一個常數(shù)，該常數(shù)與這一區(qū)域的邊界面積成正比，龐大得令人無法想像，遠遠超出了這片區(qū)域內(nèi)物質(zhì)所含的熵的總和。

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上述模型的明顯特征就是，過去和未來之間存在顯著差異。宇宙起始于一個熵極低的狀態(tài)，所有粒子都均勻擠壓在一起。隨著宇宙的演化，它會經(jīng)歷中熵狀態(tài)，也就是我們觀察到的、恒星和星系成團分布的現(xiàn)狀。最終，宇宙將達到高熵狀態(tài)：空間中幾乎空無一物，偶爾才會有低能粒子在其中游蕩。

為什么過去和未來如此不同？僅僅提出一個關(guān)于初始條件的理論，人為給出一個讓宇宙始于低熵狀態(tài)的理由是不夠的。正如澳大利亞悉尼大學(xué)哲學(xué)家胡·普賴斯（Huw Price）指出的，適用于初始狀態(tài)的任何推理過程都應(yīng)該同樣適用于最終狀態(tài)，否則就等于事先假定了我們想要證明的結(jié)論，即“過去”確實很特別。因此我們只剩下兩條路可以選擇，要么把高深莫測的時間不對稱性視為宇宙無法解釋的一個固有特性，要么就必須對時空的運轉(zhuǎn)方式做更加深入的研究。

許多宇宙學(xué)家試圖將時間的不對稱性歸咎于宇宙暴脹（inflation）。暴脹可以漂亮地解釋宇宙的許多基本特征。按照這種想法，充斥在極早期宇宙（或極早期宇宙一部分）之中的并不是粒子，而是另一種存在時間極短的暗能量，它的能量密度比今天我們觀測到的暗能量要高得多。這種所謂的超致密暗能量導(dǎo)致宇宙在短時間內(nèi)以超乎想象的速度膨脹（即暴脹），隨后衰變?yōu)槲镔|(zhì)和輻射，只留下少許暗能量，直到今天才重新變得舉足輕重。接下來的故事就像大爆炸理論所描述的那樣，均勻平滑的原始氣體演變成恒星和星系，成為了我們觀測到的宇宙。

提出暴脹模型的最初動機，是解釋早期宇宙的所謂“微調(diào)”問題，特別是相距很遠的獨立區(qū)域中物質(zhì)密度的高度一致。由致密暗能量驅(qū)動的極為短暫的加速膨脹，使整個宇宙中的物質(zhì)分布變得幾乎完全均勻。不論物質(zhì)和能量最初在宇宙中如何分布，暴脹一旦發(fā)生，先前宇宙所處狀態(tài)的任何痕跡都會被清除干凈，只留下一個熾熱、致密、物質(zhì)均勻分布的早期宇宙。

暴脹模型在好幾個方面都大獲成功。它預(yù)言宇宙中物質(zhì)分布并非完全均勻，存在著極小的偏差，這與我們觀測到的宇宙物質(zhì)密度漲落完全相符。不過，越來越多的宇宙學(xué)家認為，用暴脹來解釋時間的不對稱性，其實是偷換概念；英國牛津大學(xué)的羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）等人就強調(diào)：為了讓暴脹過程能夠像預(yù)期那樣發(fā)生，超致密暗能量最初必須處于一種非常特殊的狀態(tài)。事實上，這種暗能量的熵必須比后來由它衰變而成的熾熱、致密氣體低得多。這意味著，暴漲實際上沒有解決任何問題：為了“解釋”一種異常低熵狀態(tài)（一團熾熱、致密、分布均勻的氣體），它必須求助于另一種熵更低的初始狀態(tài)（一小塊被致密暗能量占據(jù)的空間）。我們只不過把這個謎題向前又推進了一步，現(xiàn)在的問題是：為什么暴脹會發(fā)生？

不少宇宙學(xué)家認為暴脹能夠解釋時間的不對稱性，理由之一就是暗能量的那種特殊初始狀態(tài)出現(xiàn)的可能性似乎不低。在暴脹發(fā)生之初，我們的可觀測宇宙直徑還不到1厘米。從直覺上判斷，這么小的區(qū)域好像不會有太多微觀狀態(tài)，因此宇宙隨機陷入某種對應(yīng)于暴脹的微觀狀態(tài)似乎也沒有那么不可思議。

可惜，這種直覺是錯誤的。就算早期宇宙只有1厘米寬，它所擁有的微觀狀態(tài)數(shù)量也與今天整個可觀測宇宙的微觀狀態(tài)相同。根據(jù)量子力學(xué)定律，一個系統(tǒng)的微觀狀態(tài)總數(shù)永遠不會改變。（熵的增長并不是因為微觀狀態(tài)的數(shù)量有所增長，而是因為系統(tǒng)會自然而然演變?yōu)槌霈F(xiàn)可能性最高的宏觀狀態(tài)。）事實上，早期宇宙與后來的宇宙是同一個物理系統(tǒng)——畢竟，現(xiàn)在的宇宙是早期宇宙演化而來的。

宇宙可以排布出無數(shù)種不同的微觀狀態(tài)，只有極少部分（幾乎可以忽略不計）對應(yīng)于宇宙暴脹所必須具備的初始宏觀狀態(tài)，即超致密暗能量近乎均勻地擠壓在一個極小的空間之中。這種狀態(tài)極其特殊，因此熵也極低。如果隨機選取宇宙所處的微觀狀態(tài)，恰好選中這種特殊狀態(tài)的可能性幾乎為零。暴脹理論本身并沒有解釋為什么早期宇宙熵很低，只不過它從一開始就隱含了這一假設(shè)。

因此，暴脹無助于解釋為什么過去會與未來不同。一個大膽卻簡單的辦法就是直接認為：非常久遠的過去或許與未來并沒有什么區(qū)別。也許遙遠的過去和未來一樣，都處于高熵狀態(tài)。果真如此的話，被我們稱為“早期宇宙”的熾熱、致密狀態(tài)其實不是宇宙真正的開端，只是宇宙不同歷史時期之間的某種過渡狀態(tài)。

一些宇宙學(xué)家設(shè)想，宇宙經(jīng)歷過一場“反彈”。在反彈發(fā)生之前，空間是收縮的，不過宇宙不會被擠壓成一個密度無限大的點，包括量子引力、超維、弦論和其他奇異現(xiàn)象在內(nèi)的新物理學(xué)原理會在最后一分鐘拯救世界，讓宇宙展現(xiàn)出另一種面貌，也就是我們現(xiàn)在所說的大爆炸。盡管有趣，但反彈的宇宙并不能解釋時間箭頭。在反彈發(fā)生之前，宇宙中的熵要么隨時間增大，要么隨時間降低；前一種情況讓時間箭頭可以向過去無限回溯，后一情況則會在宇宙兩個歷史時期交界處（即反彈發(fā)生時刻）產(chǎn)生一種異常低熵狀態(tài)。不論哪種情況，我們還是繞不開這樣一個問題：為什么在我們所說的大爆炸初始時刻，宇宙的熵會如此之小。

相反，我們假設(shè)宇宙最初處于高熵狀態(tài)，這才是最自然的狀態(tài)。真空是高熵狀態(tài)的典型代表。與其他所有高熵狀態(tài)一樣，真空的演變趨勢就是一成不變。因此，現(xiàn)在的問題在于：這片荒涼而死寂的時空中，如何才能產(chǎn)生我們今天觀測到的宇宙？這個秘密也許就隱藏在暗能量之中。

如果存在暗能量，真空就并非真正的空無一物。量子場的漲落會產(chǎn)生一個極低的溫度——比今天的宇宙溫度低得多，但絕不為零。在這樣一個宇宙里，所有的量子場都會偶爾經(jīng)歷熱漲落（thermal fluctuation）。換句話說，真空并非死寂一片；如果等待的時間夠久，總會有單個粒子甚至一團粒子突然間“無中生有”，只不過很快又會消散在真空之中。（這些粒子都是真實粒子，并不是那些轉(zhuǎn)瞬即逝的虛粒子；虛粒子在沒有暗能量的真空中也能出現(xiàn)和消失，但真實粒子不行。）

同樣的道理，一小團致密暗能量也可能突然出現(xiàn)。如果條件恰到好處，這團暗能量所占據(jù)的空間就會經(jīng)歷暴脹，脫離原先的時空，形成一個獨立存在的嬰兒宇宙。我們的宇宙也許就是某個其他宇宙的后裔。

表面上看，上述情景與標(biāo)準(zhǔn)暴脹模型有不少相似之處。兩種模型都假設(shè)，一小團致密暗能量的隨機出現(xiàn)觸發(fā)了暴脹。兩者的不同點在于，初始條件存在本質(zhì)區(qū)別。在標(biāo)準(zhǔn)暴漲模型中，這團暗能量出現(xiàn)在一個隨機漲落異常劇烈的宇宙之中。問題在于，這個宇宙跳過暴脹階段，直接漲落到某種狀態(tài)啟動一場大爆炸的可能性似乎要高得多。事實上，就熵而論，更有可能出現(xiàn)的情況是，宇宙直接漲落出我們今天所看到的狀態(tài)，完全可以繞開過去140億年來的演化過程。

在我們提出的新模型中，原先的宇宙不會隨意漲落；它處于一種非常特殊的狀態(tài)，本身就是空無一物的空間。這種理論聲稱，從這樣一種狀態(tài)中創(chuàng)造出一個與我們宇宙類似的宇宙，最有可能的方式就是經(jīng)歷一個暴脹階段，而不是直接漲落出另一個宇宙。（這一點還有待證明。）換句話說，我們的宇宙確實是漲落的結(jié)果，但并非隨機漲落。

2004年，我和芝加哥大學(xué)的陳千穎（Jennifer Chen）共同提出了這一模型，為可觀測宇宙中時間不對稱性的起源提供了一個誘人的解釋：我們看到的一切僅僅是滄海一粟，在更宏大的宇宙舞臺上，時間是完全對稱的。熵可以通過創(chuàng)造新的嬰兒宇宙而毫無限制地增長。

特別幸運的是，不論時間向前還是向后流淌，這個模型都行得通。設(shè)想我們從某個特定時刻開始，關(guān)注真空向過去和未來兩個方向的演化。（考慮兩個時間方向的原因在于，我們沒有人為假定一個單向時間箭頭。）不論朝哪個方向演化，嬰兒宇宙都可以在漲落中產(chǎn)生，最終膨脹為一片虛空，再產(chǎn)生它們自己的嬰兒宇宙。在超宏大的尺度上看，這樣一個多重宇宙對時間來說是對稱的——過去和未來方向上都會漲落出許多新的宇宙，并且不受限制地膨脹開來。每個宇宙都會擁有一個時間箭頭，不過半數(shù)宇宙中的時間箭頭方向與另一半宇宙相反。

一個擁有反向時間箭頭的宇宙，這個想法似乎令人震驚。假如我們遇到來自那個宇宙的不速之客，他們會記得未來嗎？幸運的是，我們用不著擔(dān)心這樣的“邂逅”。在我們描述的這個模型中，時間看起來會倒流的地方只存在于極為久遠的過去——甚至比我們的大爆炸還要早很多。那里和這里之間間隔著一片遼闊無際的宇宙；在這個宇宙中，時間似乎不會流淌，空間中幾乎不存在物質(zhì)，熵也不發(fā)生變化。生活在時間倒轉(zhuǎn)區(qū)域中的生命并不會返老還童，也不會擁有預(yù)知未來之類“特異功能”。他們所感覺到的時間流逝與我們熟悉的時間感絕無不同。只有把他們的宇宙和我們的宇宙放在一起比較時，事情才會變得異乎尋?！覀兊倪^去是他們的未來，反之亦然。不過，這樣的比較只能是純粹的假想，因為我們?nèi)ゲ涣四抢?，他們也來不了這里。

到目前為止，我們的模型還遠沒有成為定論。宇宙學(xué)家已經(jīng)花了數(shù)年時間認真思考嬰兒宇宙的概念，不過我們還沒有理解這些宇宙的誕生過程。如果量子漲落能夠創(chuàng)生新的宇宙，那么它們也能創(chuàng)造出許多其他的東西，比方說一個完整的星系。一個模型想要解釋我們所看到的這個宇宙，就必須要預(yù)言大多數(shù)星系是在類似大爆炸的事件之后形成的，而不是從原本空洞無物的宇宙中獨自漲落而來的。否則的話，我們的宇宙看起來就會極不正常。

不過，我們的目標(biāo)并不是建立一個具體的模型，去解釋超大尺度上的時空結(jié)構(gòu)。時間箭頭起源于早期宇宙中熵極低的初始狀態(tài)，可觀測宇宙的這一驚人特性之所以引起關(guān)注，是因為我們認為，它提供的線索有助于揭露不可觀測宇宙的本質(zhì)。

正如本文開頭提到的那樣，現(xiàn)有宇宙學(xué)模型與所有觀測數(shù)據(jù)相符，不過宇宙學(xué)家并沒有就此滿足：我們還想要理解自然規(guī)律，理解這個包羅我們所知萬事萬物的獨特宇宙。我們不想把宇宙的這一古怪性質(zhì)簡單歸結(jié)為無可解釋的事實。可觀測宇宙令人印象深刻的時間不對稱性，似乎給我們提供了一條揭露時空終極運作機制的線索。我們物理學(xué)家的任務(wù)，就是要利用這樣那樣的線索，拼湊出一幅令人信服的完整畫卷。

如果我們的可觀測宇宙就是存在于世間的一切，時間箭頭就幾乎不可能得到合理解釋。不過，如果我們身處的宇宙是一個龐大得多的宇宙體系的一小部分，就會出現(xiàn)更多的可能性。我們可以設(shè)想，我們的宇宙只是謎題中的一環(huán)；在更加宏大的宇宙體系中，時間箭頭只是熵在極其久遠的過去和極為遙遠的未來無限增長趨勢的一部分。借用物理學(xué)家愛德華·特賴恩（Edward Tryon）的話來說，如果大爆炸不是世間萬物的開端，而僅僅是時常發(fā)生的事件，它就更容易被理解。

其他研究人員也在研究類似的想法，而且越來越多的宇宙學(xué)家開始認真考慮時間箭頭所提出的問題。觀察時間箭頭非常容易，只要把一些牛奶混入咖啡即可。在品嘗這杯牛奶咖啡的同時，你可以沉下心來思考一下，為什么如此簡單的行為可以一路追溯到我們可觀測宇宙的開端，甚至更加久遠的過去。

（撰文：肖恩·M·卡羅爾；翻譯：虞駿）

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