对时间

关于时间四维空间探险（上）

有时，它如离弦之箭；有时，它像老牛拉破车；有时，它又好似蜗牛

般爬行。我们惜时如金，我们又随意抛撒，但我们总是希望更多地拥有它。

对我们来说，时间是那样自然，以至于很容易使人忘记。实际上，它是多

么奇特，奇特得简直令人震惊。

我们对时间了解得越多，就越是对它感到焦躁不安，就像一团乱麻，

剪不断，理还乱。为什么它只往一个方向流动？它是真实的存在，抑或只

是我们想象中的幻觉？时间旅行有可能吗？它是怎样开始的？它会结束吗？

它能够提供晦涩难懂的万物至理吗？时间为何物？时间是什么？正是这个

问题，一直困扰着从古代哲学家到启蒙运动以及之后的许多科学家。然而，

历经几千年的思索和科学进步，人们对有关时间的属性仍未达成共识。我

们能够认识时间却不理解时间，甚至在调查时间的方法上，都还存在严重

的分歧。

这也许是因为，对时间的深刻理解已经证明，我们的进步几乎是多余

的。比方说，在物理学中，牛顿的运动定律、爱因斯坦的广义相对论和量

子论都无须我们了解时间的属性，就可以使它们起作用。即使钟表匠，也

无须理解时间。

但时间的确给了我们一些线索，让我们知道应该把注意力集中在什么

地方。因为一只时钟必须有某种运动的部件来测量时间的流逝，这可能是

一个棘轮装置，一个振动的石英晶振片，或是一个来自放射性原子的粒子

喷发——不管怎样，必须有运动。

当某物运动时，它就有了改变。因此时钟告诉我们，时间总是同变化

有着某种形式的关联。然而到目前为止，我们的认识仅此而已。从这点出

发，关于时间的理解，人们被引向两条完全不同的道路。

第一种意见认为，时间是宇宙中一种真实的基本属性。就像空间或者

质量一样，它本身就存在，并提供了活动在其中发生的框架。艾萨克·牛

顿就持这种观点，认为必须把时间看成像家里的墙壁一样实在。直到那时，

你才能自信地测量一件物体的运动有多快。

爱因斯坦摆脱了这种刻板的概念。他的理论摒弃了时空存在于它们自

身的概念，甚至认为“时间什么也不是，而是一种顽固而持久的幻觉”。

然而，时空可能仍提供了一个有用的测量宇宙的参考系，或者就像物理学

家布莱恩·格林在他的著作《宇宙的经纬》中所写的那样，“时空是一件

值得重视的事”。

第二种观点认为，变化是宇宙的基本属性，时间从我们的心力中显现

出来，去我们周围所能看见的变化着的世界。牛顿的主要对手哥特弗雷

德·莱布尼兹十分认同这种解释，认为时间是不真实的，只是我们头脑中

创造出来的。

因此，我们面临一个难题：时间是真实的吗？

物理学家和哲学家对这个问题仍争得不可开交，不只是因为量子力学

把这个问题搞得使人更加糊涂。主要原因之一是，这些答案可能把我们引

向可以解释所有粒子和自然之力的“万物至理”。

另一个问题也显得突出。如果说时间是真实的，那么，它来自哪里？

直到最近，大多数物理学家还假设，当物质、能量和空间本身诞生的时候，

时间就从宇宙大爆炸当中形成。因此，任何认为时间存在于大爆炸之前的

观点都被认为是不恰当的。然而现在，他们并不太确定。“我们无权宣称，

宇宙和时间就始于大爆炸，或者说，存在某种史前史。”帕萨迪纳市加州

理工学院的肖恩·卡罗尔说，“公开发表的言论中，持这两种意见的人都

很多，但就我自己而言，我还是赞同宇宙永远持续的观点。”

弦论已引导人们对这种观点进行重新评价。在这些假设的对标准物理

学的扩展中，现实由比我们熟悉的四维更多的维度组成。虽然我们不能直

接感知其他那些领域，但它们却提供了交替宇宙存在的地方。这些宇宙在

一系列大爆炸时从彼此中萌芽，也就是说，我们的宇宙诞生于另一个宇宙。

因此，在我们这个宇宙大爆炸之前，时间的确已经存在了，之前的宇宙甚

至很可能给我们留下它们本身的线索。

2022年，卡罗尔及其同事指出，大爆炸辐射残留物中的特性也许就

是早期宇宙的特征。2022年，牛津大学的罗杰·彭罗斯和亚美尼亚耶烈

万州立大学的古扎德亚进一步研究指出，在这个宇宙微波背景中的圆形组

合，就是一系列先前宇宙和大爆炸的证据。现在，欧空局的或“普朗克”

卫星已经发布了最新的宇宙微波背景辐射图，我们将有机会验证这些观点。

现在，我们无法避开这些问题的困扰，我们也无法想象某一天它会带

来怎样极其深刻的答案。而今，我们不得不比任何时候都更加大胆地面对

我们对于时间的无知。

为什么时间之箭有去无回？

向前走几步，转身再往回走，这没问题。现在，让几秒过去，然后调

头向后走几秒。没办法？当然！我们完全清楚，时间不像空间，它只有一

个方向——从过去流向未来，绝无拐点。

这一切听起来好像不过是事物的自然顺序而已，但如果你对自然观察

得够仔细的话，就会发现事情并非如此。彻底研究物理定律，找不到这样

的时间之箭。比如，你可以利用牛顿的运动定律，算出过去的一个球从何

处抛出，就像算出未来它将降落的地点一样准确。而就粒子而言，无论过

去还是未来，支配它们特性的规律和力是不变的。“真正奇怪的是，在这

个世界上，我们所知的物理学定律在时间上，不论向前还是向后无疑都应

该可以起作用，”澳大利亚新南威尔士州悉尼大学的科学哲学家迪恩·里

克莱斯说，“应该没有一支时间之箭。”

如果时间之箭不在物理学定律之内，那它又来自哪里？一条重要线索

从大量粒子的复杂交互作用中显现出来。你所看见的一切，包括你自己，

都是由众多粒子组成的。这些粒子并不只是停留在周围，它们在不停地四

处移动并重新排列着。

肉眼可见的系统，比如说一坑水或一粒冰晶，物理学家都归因于熵。

熵体现了在不改变其总体外观的情况下，你可以重新排列一个系统的方式

的数量。一坑水可以由众多的方式排列H2O分子，使它成为较高的熵值系

统；而一粒冰晶则必须以非常精确的方式排列，因为排列方式较少，所以

它是低熵态。

就纯统计学意义而言，高熵系统总是比低熵系统更多可能，因为有更

多的方式去产生它们。这就是为什么如果给定的温度高到足以让分子四处

移动，进入新的排列，你就会看见冰变成水，而绝不会看见一个水坑自然

而然地结冰。的确，如果你在影片中看见这样一个场景：在一个温暖的日

子，一个水坑突然结冰，你会推断这部影片是在倒着播放——时间在往回

移动。

即使熵增加只是统计学上的、非基本的现象，也足以竖起一根物理学

的强大支柱：热力学第二定律。根据第二定律，宇宙的熵绝不可能减少。

你可能会想，时间之箭的密钥就在这里——从低熵到高熵的稳步发展，即

我们所认为的从过去到未来的秘密通道。

要是事情就这么简单，那该多好。不幸的是，第二定律实际上并不能

解释时间之箭，它只是说高熵态比低熵态更有可能。时间并不进入这个画

面，也就是说，从现在起5分钟后的世界，有可能有较高的熵值，而5分

钟前的世界也该是如此。

那么，解释时间之箭的唯一方法，就是假设宇宙是以极其少有的低熵

态开始的。不然的话，时间早被卡住了，一切都会变得了无生气，自然也

不会有我们人类。“时间之箭依赖于这样的事实，即宇宙是以非常奇异的

状态开始的。”法国马赛理论物理学中心的物理学家卡洛·洛利华说，

“如果宇宙以任意状态开始的话，就无法区分过去与未来了。”

事实上，观察显示，宇宙的确是以低熵态开始的，大爆炸留下的残余

物提供了宇宙初期的快照。它显示，在时间开始之初，物质和放射物非常

平稳地散布在整个空间。乍一看这有点像是高熵态——直到你把引力因素

考虑进去。

引力老想把物质凝结成块，因此，在一个引力主宰的系统中，黑洞便

是最可能的一种状态，所以，黑洞比平滑分布具有更高的熵，这种低熵平

滑是绝对不可能的。那么，我们是怎样变得如此幸运的？里格尔斯说：

“如果我们能够解释低熵的过去，那么我们就几乎破解了时间之箭的问

题。”

宇宙学家对我们在早期宇宙所看到的这种平滑，的确有一个解释。宇

宙在开始之后的不到1秒内，经历了一个短暂但却戏剧性的膨胀爆炸，像

胶皮拉伸的空间，消除了任何皱褶。

膨胀似乎解决了进退两难的困境。然而仔细观察，它不过是把这个问

题又推了回来。膨胀为了以适当的方式发生，以便产生我们的宇宙（由膨

胀驱动的场），显然必须具有某些不太可能的特性。因此，一方面膨胀场

揭示这种低熵宇宙之谜，另一方面膨胀场本身就具有低熵的特性。物理学

家又是如何来解释这个问题的呢？一种可能性是，膨胀不只发生一次。假

定膨胀场始于一种无序的高熵态（更有可能的情景），以致其特征各不相

同，低熵值膨胀产生了我们这个平稳的宇宙。因此，在一个较大较高熵值

的场中，我们的时间之箭就只是一个任意的光点。这个场的某些部分就会

具有形成我们这种宇宙的适当条件，而这个场的其他部分则一成不变，或

者形成别的宇宙。事实上，膨胀场物理现象保证了从头到尾总是有足够多

的遗留物来创造更多的宇宙，从而不可避免地导致无穷个多重宇宙。

目前，有几个证据集中在多重宇宙上，引起许多宇宙学家的认真思考。

在一个多重宇宙中，某些宇宙会有时间之箭，而更多的宇宙却没有。在有

时间之箭的宇宙中发现我们这个宇宙的时间之箭，应该不足为怪，因为这

是能够产生生命的宇宙的唯一形式。“这就是我特别喜爱的情节，”加州

技术学院的物理学家肖恩·卡罗说，“虽然还没有彻底解决问题，但我希

望很快就能真相大白。”

然而，即使多重宇宙能够解释时间之箭，仍有许多未解之谜。例如，

第二定律是怎样适应宇宙的量子特性的？量子系统似乎显示出它们自身那

种箭：它们总是由可能重合的状态解释，直到一种测量神秘地选择一种独

特状态——种仿佛不可逆转的过程。（待续）