想要时间倒着流,需要几步?

作者: Kate Becker

来源: 把科学带回家

发布日期: 2019-10-30

本文探讨了时间的单向流动性在物理定律中的体现,提出了时间的箭头可能由引力决定的假设,并通过形状动力学的理论解释了宇宙复杂性的增加如何定义时间。

早上六点,随着闹钟的铃声,你进入梦乡。到晚上就寝的时间,自然地醒过来。晚饭时,你把昨天煮好的面条放进锅里,得到了一锅冷水和一袋生面条。早饭时,桌上的咖啡吸收着空气中的热量,不断加热。如此这般,一个个“昨天”接踵而至,你比前一天更加年轻。如果时光会倒流,一切都会是反的。

当然,这一切只是想象。事实上,时间之箭一往无前,未曾折返。我们曾设想,时间的单向流动性是宇宙的基本性质,但奇怪的是,它似乎并未体现在最基础的物理定律中。相反,在微观世界里,时间的反演相当自然:如果一个粒子正着跑符合了物理规律,那么它反着跑——就好像时间箭头反向了——也符合物理规律。

这便是物理中的一大谜题:从看似与时间箭头无关的物理定律之中,发掘出时间流逝的不可逆性。四年前,研究者提出一种新的假设:时间的箭头是由引力决定的。传统的观点认为,时间箭头并不源自引力,而是熵增。熵,是衡量系统无规律程度的量。热力学第二定律(下称“熵增定律”)告诉我们:孤立系统的熵不可能减少。你可以打个蛋,摊个饼,但不能把蛋饼变回一个蛋:这便是熵的本质。

值得注意的是,熵增原理并不是说,系统内部处处都在熵增。事实上,某些局部可能会自发地变得有序——大到行星、恒星乃至星系间的合并,小到人体内新长出的一堆细胞——但当你放眼去看整个系统的时候,它依旧变得更加无序了。熵增定律依旧成立。

如果熵增定律成立,那么把熵增的倾向作为时间箭头,似乎是完美的。但这其实会生出一个问题:我们的宇宙必须从一个熵值非常低的状态开始演化。问题是:为什么是这样?一个可能的回答是:凑巧而已。低熵的初始条件实属侥幸。

当然,许多理论工作者并不接受“我们的宇宙只是凑巧如此”的观点。他们指出,熵增定律和其它统计学定律是针对特定“封闭”系统的结论。所谓“封闭”,指的是该系统与所在的宇宙没有物质交换。但是,对于整个宇宙来说,这些定律是否成立,尚未可知。

如此一想,的确,我们所观测到的宇宙的演化,似乎并不符合通常意义下有关熵的叙述。从直觉上讲,大爆炸后充斥着整个宇宙的“宇宙热汤”(hot cosmological soup,指的是宇宙初期混沌现象),其熵值总应该高于今日宇宙中那些一丝丝的、精巧的星系结构。但事实却是反过来的。

研究者采用了“形状动力学(shape dynamics)”解决引力问题。相比于牛顿力学,形状动力学只用“相对关系”来描述宇宙。他们声称,相比于只存在于空想中的“完美的时间长短”和“完美的距离大小”,形状动力学提供了一种更加自然与省力的方式来描述宇宙。

按照形状动力学的理论,就算系统始于一堆随机分布的粒子,最后也能演化成结构严整、聚集成群的状态。换句话说,系统的复杂性(系统内结构的种类数)总是在增加。由此看来,引力导致复杂性的增加,而复杂性的增加拉开了一去不返的时间箭头。那些粒子随机分布的状态就是“过去”,结构复杂的状态就是“将来”。换言之,只有观测到了复杂性的增加,才能定义所谓的时间。

在诸多基本力中,这个方法赋予了引力特殊的位置,如果说在熵增观点下,时间箭头始于一个凑巧形成的低熵宇宙,并将无可避免地射向混沌的终点,那么,复杂度观点的视角则乐观许多:这是一个由诸多基本力齐心构建的、精致的宇宙,而我们将她唤作“家园”。

一如该理论的研究者所言:“这是引力造就的奇迹。宇宙就像古希腊哲学所构想的那样,混沌万物之中,生出了秩序与规律。”

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