如果將我們的日常生活拍成電影，然後倒放，觀眾們一定會注意到許多不對勁：河水朝山上流，破碎的雞蛋重新合為一體，潮水退回海中、沙灘上隨之出現了足跡…… 在現實生活中，我們可以毫不費力地辨認出哪些是過去、哪些是未來，因此順序一旦顛倒，我們就很容易看出其中的問題。

這種自然現象自帶的方向性又叫”時間箭頭”。 由於我們對它太過熟悉，很難想像它的起源至今還是個未解之謎。

熱力學與時間箭頭

物理學家最早遇到時間箭頭的問題是在19世紀、研究氣體分子運動規律的時候。 假設有一個裝滿氣體的盒子，中間由一道屏障隔開，左側的氣體溫度比右側的高。 若將屏障撤掉，左側快速運動的分子便會與右側運動速度較慢的分子相互碰撞，使能量重新分配。 不久，氣體的溫度便會變得統一，即所謂的熱力學平衡狀態。 這一過程是不可逆的，永遠不可能反向發生。 若沒有外界干預，熱量永遠都是從高溫熱源向低溫熱源流動，這便是熱力學第二定律。

這個結果看似簡單，但其中其實暗藏著一條悖論。 支配分子運動的物理學定律具有時間對稱性，不會區分過去與未來。 如果在某種魔法的作用下，盒子裡的所有氣體分子的速度突然同時反轉，盒中的氣體溫度便會一側高、一側低。 分子運動法則本身並不會阻止熱量違反熱力學第二定律、從低溫向高溫流動。 我們之所以不會看到這種詭異的時間順序，是由其初始條件決定的。 上文舉例中的氣體開始時處於有序狀態，熱能的分佈並不均勻。 要想解釋盒中氣體的時間箭頭，首先要弄清它是如何達到這種初始狀態的。

1852年，物理學家開爾文男爵將熱力學第二定律應用到了宇宙學中，結果得出了科學史上最令人沮喪的結論。 開爾文稱，宇宙正在緩慢地死去，沿著一條下坡路上一去不回頭，最終所有可用的能量源都將耗盡，宇宙也將隨之陷入死寂。

開爾文對宇宙熱寂的預測不難理解，我們只需要看看太陽就行。 太陽一直在以1020兆瓦的功率、一刻不停地向冰冷的宇宙噴吐熱量。 只要太陽的核燃料尚未用盡，這一過程就會一直持續下去。 但這些燃料遲早會耗盡，太陽也會隨之死去。 不僅是太陽，這也是所有恆星的命運、甚至整個宇宙的命運。 宇宙不可能永遠維持目前這種狀態，就像一台巨大的時鐘一樣，經歷了一個又一個漫長的紀元，遲早有停擺的那一天。

但這也向我們拋出了一個巨大的謎團：這台巨大的宇宙之鐘最開始是怎麼「上發條」的呢？ 還是以充滿氣體的盒子為例，這些氣體的時間箭頭的起源需要追溯回到它們的初始狀態，即開始時的溫差。 氣體一開始處於熱力學不平衡狀態，一邊較熱，一邊較冷。 那麼，宇宙的初始條件是否與其有某些相似之處呢？

答案或許就隱藏在宇宙大爆炸之後的余輝中。 宇宙微波背景輻射至今仍然充斥著宇宙的每一個角落，並且衛星已經精確繪製了其分佈情況。 但與裝滿氣體的盒子不同，宇宙背景輻射的密度變化規律明顯達到了熱力學平衡狀態，也就是說，宇宙各處的溫度均一致。

那麼，要想解釋現如今的時間箭頭，我們在哪裡才能找到這種極其重要的原始熱力學不平衡狀態呢？

引力秩序或為時間箭頭之源

目前的主流理論認為，宇宙大爆炸為宇宙的起源。 根據我們目前對宇宙大爆炸的瞭解，早期宇宙的簡潔性和秩序性堪稱完美，物質在空間中的分佈極其均勻一致，且各處膨脹速度均相同。 這種原始的結構簡潔性構成了時間箭頭的來源。 從星系到星團，從恆星到行星，如今我們在宇宙中觀察到的所有結構都是在引力作用下、由原始的平滑狀態雕琢而來的。 例如，太陽就是由一團氣體在自身重力作用下向內壓縮、溫度不斷升高、直至啟動核反應形成的。 也許最初只是與均勻狀態稍有偏離（可能僅有一百萬分之幾），後續孕育出大尺度結構的種子便就此埋下。 從宇宙微波背景明顯的溫度變化規律中也能看出這一點。 科學家認為，這些差異可能是宇宙大爆炸發生后一瞬間量子波動的產物。 按照這一假設，引力便是宇宙秩序的本源，後續一切不可逆的熱力學過程都由此展開。

但謎團至此仍未完全解開。 我們肯定會問，為何宇宙剛誕生時的引力秩序會接近完美呢？ 答案在一定程度上或與大爆炸的”大”字有關，也就是宇宙暴脹。 該理論認為，宇宙剛剛誕生時，體積在瞬息之間迅速增大了無數倍，在此之前存在的任何不規則引力都在這一過程中被抹平了，就像氣球充氣后、表面的褶皺便會消失一樣。 根據該理論，這次短暫但劇烈的暴脹是由一股巨大的”反引力”驅動的。 這股反引力既”點燃”了宇宙大爆炸，又解釋了其無與倫比的簡潔性和近乎完美的一致性。

事實上，反引力在愛因斯坦的廣義相對論中也佔有一席之地。 愛因斯坦最早於1917年提出了這一概念。 按照如今宇宙學家的設想，宇宙也許曾被某種量子場所籠罩，正是這個量子場產生了一股強大的反引力，導致了宇宙初期暴脹的發生。

雖然這個場的存在純屬猜測，但大多數物理學家和宇宙學家都認同這一基本思路，並圍繞該主題展開了眾多理論研究專案。 我們可以忽略其中的技術性細節，因為這些不重要。 在解釋時間箭頭時，最重要的一點是，有某種類似物理定律的過程導致了宇宙暴脹的發生，這也是所有時間箭頭相關問題的根源。 就像支配日常生活中所有不可逆過程的物理法則一樣，主導宇宙暴脹的法則也具有時間對稱性，不會區分過去與未來。 要想從時間對稱性法則中衍生出時間不對稱性、即時間箭頭的方向，唯一的方法便是限定特殊的初始條件。 對宇宙暴脹而言，這就意味著宇宙剛剛誕生時、便伴隨著一個處於特殊狀態下的暴脹場。

如果主宰宇宙初期的物理法則的確具有時間對稱性，就意味著解釋時間箭頭的重擔落到了最初的起點、即宇宙的終極初始條件上。 從這裡開始，我們便真正進入了一片未知的領域。 宇宙是從一片虛無中誕生的嗎？ 還是說在宇宙大爆炸發生之前，便已經有些東西存在了？

假設時間是與宇宙大爆炸同時開始的，那麼我們完全可以宣佈，宇宙開始時的確處於一種獨特的、高度有序的狀態。 但從另一個角度來看，如果宇宙大爆炸只是宇宙歷史上的一個階段，那麼宇宙也許根本沒有所謂的最初起點。 這樣一來，時間箭頭又該作何解釋呢？

有一種理論認為，所謂「大爆炸」其實只是一次「大跳躍」，宇宙開始膨脹前，先是經歷了一段時間的收縮，當時的時間箭頭與如今是相反的。 這樣一來，大爆炸就成了一個具有高度引力秩序的對稱點，在我們所處的這個紀元，時間箭頭指向前方;而在宇宙大爆炸的另一端，時間箭頭則指向後方。 還有一種類似的猜測認為，在遙遠的將來，宇宙也許會停止擴張、開始加速收縮，最終在一場”大壓縮”中發展到頂峰，就像一次方向相反的大爆炸。 在收縮階段，時間箭頭的方向會倒轉過來。 雖然目前的觀測結果暫不支援宇宙會重新收縮的說法，但我們不能排除這種可能性。 另外還有一種可能，也就是我們所說的多重宇宙。 該理論認為，我們所在的宇宙也許只是無限宇宙中的一個。 讓我們打開上帝之眼、跳到這些宇宙之外看一看，有些宇宙的時間箭頭方向朝內、有些朝外，且二者數量均等。 不過這裡的”朝內”、”朝外”是由我們自己決定的。

這些稀奇古怪的宇宙模型都是為了體現物理法則自帶的時間對稱性。 但也有一些科學家認為，物理學家或許太執迷於對稱性了，也許物理法則有時也會打破時間對稱性，只是程度較輕而已。 而事實也的確如此。 科學家已經在亞原子粒子中觀察到了一些晦澀難解的現象：少數過程會朝相反的時間方向發生。 也許這些微觀效應可以為我們打開一扇窗，讓我們窺探到物理學的更深處，再將其應用到宇宙的誕生之謎中。 這樣一來，時間箭頭這個曠世之謎或許終可揭曉謎底了。

唯有時間能告訴我們答案。