撰文 | 鞠强

公元5世纪，罗马帝国神学家奥古斯丁写过一本《忏悔录》。他在书中指出，讨论宇宙诞生之前没有意义，因为在宇宙诞生之时才有时间，所以不存在所谓的“之前”。这本1600多年前的书中的观点在字面意思上似乎与现代大爆炸宇宙学的观点不谋而合。

大爆炸是时空的起点，这是现代宇宙学的主流观点，也是我们在大部分科普书中读到的内容。但是，加州理工学院教授肖恩·卡罗尔（Sean Michael Carroll）并不认为这已成定论。他认为很有可能时空在大爆炸之前已经存在，我们叫作大爆炸的这个节点，只是从一个阶段到另一个阶段的一种过渡。

卡罗尔在自己的作品《从永恒到此刻：追寻时间的终极奥秘》（From Eternity to Here：The Quest for the Ultimate Theory of Time）中详细论证了以上看法。他写这本书意在从生活中最平常的现象入手，引导我们了解宇宙中最大的谜团之一并罗列出可能的答案，而他对于大爆炸的看法正是这些答案中的一个。

卡罗尔从事理论物理、宇宙学和引力理论的研究工作，除了是加州理工学院的物理学教授外，他还是著名的科普作家，出版过《寻找希格斯粒子》（The Particle at the End of the Universe）、《大图景》（The Big Picture: On the Origins of Life, Meaning, and the Universe itself）和《隐藏的宇宙》（Something Deeply Hidden: Quantum World and the Emergence of Spacetime）等作品。

有意思的是，还有一位我们译作肖恩·卡罗尔的著名学者（英文名是Sean B. Carroll）也是科普作家，这位是美国威斯康星大学分子生物学和遗传学教授，美国国家科学院和美国艺术与科学学院的“两院院士”。（这二位的中文版图书的封面上都印着“肖恩·卡罗尔”，所以各位选书的时候一定分辨清楚，按需购买。）

言归正传，说回这位从事物理学研究的肖恩·卡罗尔。2013年，彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）因为对希格斯玻色子的理论研究而获得了诺贝尔物理学奖，“上帝粒子”引发了更大的关注，卡罗尔的《寻找希格斯粒子》不久之后就在国内出版。而与这本书相比，他的其他书关注的多是更加宏大的主题，比如《从永恒到此刻》关注的就是“时间之箭”。

时间之箭，顾名思义，就是说时间像一支箭一样，有向前的方向——从过去到现在再到未来，这对我们而言习以为常。比如说，我们记得，这本《从永恒到此刻》的英文版出版于2010年，中文版出版于2021年5月，也就是几个月前，相隔大约11年。但是，我们却不“记得”再过11年（也就是2032年），卡罗尔的哪本书的哪个版本会出版。

也许你会说，我们当然不知道2032年卡罗尔会出什么书，而且怎么能用“记得”呢？我们能“记得”的是过去的事情，而不是未来的事情。但是，为什么呢？过去和未来的区别究竟在哪里？时间是不对称的吗？我们的记忆有一个方向吗？这些看似无厘头的问题，实则都是卡罗尔在这本书中尝试要解答的问题。

我们先把卡罗尔以后出书的事情放到一边，来看生活中常见的例子：我们可以把鸡蛋做成美味的鸡蛋饼，也可以把牛奶加到咖啡里慢慢享受；但是，从来没有人见过鸡蛋饼可以自己再变回一枚完好的鸡蛋，也没人见过牛奶和咖啡在杯子里自动分开。所以，这些事情看起来都有一个特定的方向，反过来就不行，似乎有一个暗藏的箭头指示着事件发生的顺序。

虽然对基本物理规律一无所知并不影响我们的日常生活，也不妨碍我们品尝美味的鸡蛋饼和咖啡，但是物理学家却对这些现象感到困惑。当然，物理学家也不是束手无策，他们手上有现成的解释：热力学第二定律，它决定了这个箭头的方向。

这个定律说的是，熵会增加或者至少保持不变，而熵指的是物体或者物体集合的无序程度。在通常情况下，有序状态会自然而然地倾向于变成无序。所以，把鸡蛋做成鸡蛋饼很容易，但是把鸡蛋饼的分子重新组装成一个鸡蛋就做不到。同样，这也能解释为什么我们收拾好的办公桌面过一段时间就又会变得乱糟糟——这是宇宙中最基本的规律在起作用（我们为自己找到了一个很科学的理由）。

小到鸡蛋，大到宇宙，都遵循热力学第二定律，只能从有序向无序的状态演化，也就是从低熵向高熵演化，这就是时间之箭的方向。但这里蕴含着一个关于宇宙初始状态的重要假设：宇宙在最初时刻熵非常低，非常有序。如果我们自动接受这样的设定，那就可以高枕无忧。但是，我们并不满足，至少卡罗尔不满足，他在书中就试图要解释为什么会这样。

在展开关于时间之箭、熵与热力学第二定律的讨论之前，卡罗尔还为读者进行了准备。因为这一切讨论（包括使这本书的书名中的“永恒”和“此刻”有意义）其实都基于一个最基本的前提——我们知道什么是时间。

“时间”这个概念在我们的生活中无处不在，也可能是人类创造的最伟大的概念之一。我们以为对时间了如指掌，但是只要问问朋友、翻一下词典再查一下搜索引擎，我们就发现大家对时间的定义其实相去甚远。卡罗尔在书中列出了时间的三个定义：时间标记了宇宙中的时刻；时间度量事件之间的间隔；时间是我们移动的媒介。

简单地说，“现在是中午12:00”对应第一个定义，“晚饭后散步1小时”对应第二个定义，我们写文章常会用到的“时光如水”对应第三个定义。前两个定义很简洁，第三个定义则有些含糊。卡罗尔在书中提到，为什么时间看起来就像在我们身边流动，即时间像水流一样，或者说为什么我们似乎在穿过时间，就像我们在水中划船一样，正是因为存在时间之箭。

不过，这些我们通常理解的时间概念都随着相对论的出现被改写。在相对论中，三维的空间和一维的时间结合成四维时空，牛顿的绝对空间和绝对时间不复存在。我们开始以全新的方式理解时间，这也成为研究时间之箭的基础。

既然我们了解到在宇宙中（以及在我们的生活中）存在一个从过去到现在指向未来的时间之箭，那无论是出于大胆的想象还是出于怀旧的本能，我们都想了解是否存在反其道而行之的可能性。时间旅行是很多读者（以及科幻作品的作者）感兴趣的内容，广义相对论从理论上并不排斥时间旅行令人欣喜。卡罗尔在书中也用了不小的篇幅来解读时间旅行，但是他的解读方式并不是很多科幻作品中出现的各式各样的时间机器（比如椅子、飞船或者神秘博士Dr. Who的电话亭），而是一道物理学定律允许我们在时间中来回穿越的“时间之门”。

卡罗尔介绍的“时间之门”对有些读者来说也许并不陌生。科幻作家特德·姜（Ted Chiang，就是被改编成电影《降临》的科幻小说《你一生的故事》的原作者）写过一篇名为《商人和炼金术士之门》的科幻小说，其中就利用了“时间之门”的概念，而他也在小说的后记里提到了他创作的灵感来自基普·索恩（Kip Throne）对时间机器的研究。

索恩因为研究引力波而获得了2017年诺贝尔物理学奖，他也是克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）的电影《星际穿越》（Interstellar）的科学顾问。诺兰的最新作品是2020年上映的《信条》（Tenet），这部电影以时间旅行为核心框架，自然又再次找到索恩担任科学顾问。《信条》上映后，各种解读铺天盖地，令很多观众云里雾里，其实《从永恒到此刻》就是非常适合的参考读物。

既然说到特德·姜，我们可以再多说一句。他还写过一篇精彩的短篇科幻小说《呼吸》（他的第二部中文版科幻小说集也是这个名字），他在后记中提到，这篇小说受到了罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）的研究的影响。彭罗斯因为“发现黑洞形成是广义相对论的有力预言”而获得了2020年诺贝尔物理学奖，他早期和霍金共同完成的研究对黑洞及宇宙学研究产生了深远影响。

不过，彭罗斯影响特德·姜的是关于时间之箭的观点：正是因为宇宙诞生在一个高度有序的状态（即低熵的状态），我们（人类）才能够存在。彭罗斯在他的科普名著《皇帝新脑》（The Emperor’s New Mind）中详细论述了这个观点，感兴趣的读者可以拿来作为卡罗尔这本书的对照。

卡罗尔在书中带着我们在“时间之门”的两侧穿来穿去，但（对有些读者来说）遗憾的是，他通过一系列论证最终告诉我们，理论上看似可行的这道门实际上无法存在。这样，我们就不能穿越到过去，也不必再受祖父悖论的困扰。

在讨论时间旅行的时候，卡罗尔主要是以狭义相对论和广义相对论作为工具。他随后带领我们探索时间之箭的主要工具还有玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）、麦克斯韦（James Clerk Maxwell）等人建立起的热力学（以及进一步发展的统计力学）和一批杰出科学家在20世纪初期建立起的量子力学。

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我们现在知道，熵的增加指明了时间之箭的方向，但是最早研究熵、热力学第二定律的科学家可没想这么多。卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot）、克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）等人最初只是想造出效率更高的蒸汽机，但在这个过程中，他们逐渐发现了热力学的规律（热力学第一、第二、第三和第零定律）。玻尔兹曼的研究揭示了微观世界的变化规律，并给出了衡量微观状态的定量公式，他也洞察出隐藏在热力学第二定律背后的时间之箭。在大爆炸理论甚至现代宇宙学还未诞生的时候，玻尔兹曼已经开始思考宇宙的演化以及最终的结局。

需要注意的是，对于一些宏大的主题，古人与今人有类似的看法并不意外，但神学家、哲学家和科学家的出发点完全不同，所以我们决不能把奥古斯丁的想法和大爆炸理论混为一谈，认为科学的想法早已有之。玻尔兹曼等人的努力，才是思考时间之箭的真正开端。

和相对论一样，量子力学彻底改变了我们认识世界的方式，当然包括我们理解时间之箭的方式。时间有了量子属性，变得不确定，而是由概率所描述，而同样有了量子属性的还有黑洞。虽然我们看不见黑洞，但是确信黑洞真的存在。2020年，莱茵哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和安德里亚·吉兹（Andrea Ghez）因为“发现了银河系中心的超大质量致密天体”（也就是黑洞）而和彭罗斯分享了诺贝尔物理学奖。

史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）对黑洞研究作出了革命性的贡献。他利用量子力学和狭义相对论结合而成的量子场论研究黑洞，发现“黑洞不黑”，而是能发出辐射。这表明黑洞也有熵，这种辐射后来被称为霍金辐射。不过，霍金辐射即使真的存在，我们现有的探测手段也远不能探测到如此微弱的辐射，否则霍金有生之年就能获得诺贝尔奖。霍金的黑洞辐射理论把热力学、量子力学和相对论融合到一起，这正是他的伟大之处。

霍金等人对黑洞的研究，帮助物理学家更好地理解时间之箭，因为黑洞为熵和引力之间的联系提供了关键的线索。在此基础上，物理学家又发展出暴胀和多重宇宙的理论。霍金去世前最后一篇完成的论文在他去世一个多月后（2018年5月2日）发表，这篇他和他以前的博士生、比利时鲁汶大学教授托马斯·赫托格（Thomas Hertog）合作完成的论文，讨论的正是永恒暴胀和多重宇宙的问题。

简而言之，在大爆炸发生后的极短时间内，宇宙以惊人的速度膨胀，这就是暴胀。在宇宙的某些区域内，暴胀永远不会停止，这就是永恒暴胀。我们的“宇宙”（也称作可观测宇宙）只是一个暴胀已经停止而恒星和星系得以形成、生命得以出现的局部区域而已。这样一来，整个宇宙就是一个“多重宇宙”。

多重宇宙为解释时间之箭和宇宙的演化提供了一种可能性，因为我们的宇宙起始熵很低只是单纯因为熵可以更低。但正如卡罗尔在书中所说，这也只是一种可能性而已，摆在物理学家面前的还有其他很多候选方案。在《从永恒到此刻》中，卡罗尔反复强调，我们有值得信赖的理论（热力学、相对论和量子力学），也在探索不甚了解的理论（比如统一量子力学和广义相对论的量子引力），更有天马行空、完全猜测的理论（比如反冲宇宙和多重宇宙）。即使在研究过程中会走歧路甚至被证明完全错误，我们都应该大胆地面对这些猜想，不放过任何可能性，这是科学研究的本质特征。

在《从永恒到此刻》的最后，在经过一番充满熵、时间之箭和宇宙演化这些概念的头脑风暴后，我们却发现自己仍不知道那个解释时间之箭为何存在的答案究竟是什么。不过，这一点都不令人失望，因为在一趟旅程中欣赏沿途风景的意义可能不亚于最终抵达目的地。再乐观一点，没有找到答案未必是坏事，这恰恰证明了宇宙的价值，毕竟前不久去世的杰出物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）就曾说过：“宇宙越是看起来可以理解，就越是显得毫无意义。”

就个人而言，面对书中不断出现的天文数字，我们不得不承认自己的渺小，从这些冷冰冰的事实和规律中我们也很难找到目的和意义。但是，人类进化的历史已经证明，我们正是在发现这些事实、寻找这些规律的过程中赋予自身以目的和意义。卡罗尔说，他曾经在一家俱乐部里因为解释暗能量而得到了一杯免费饮品，这是他研究宇宙的额外收获。我们读过《从永恒到此刻》，会发现我们为了解时间所付出的时间绝对值得，也肯定会获得一份意想不到的收获。