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撰文 | 鞠強(qiáng)

公元5世紀(jì)，羅馬帝國(guó)神學(xué)家奧古斯丁寫過一本《懺悔錄》。他在書中指出，討論宇宙誕生之前沒有意義，因?yàn)樵谟钪嬲Q生之時(shí)才有時(shí)間，所以不存在所謂的“之前”。這本1600多年前的書中的觀點(diǎn)在字面意思上似乎與現(xiàn)代大爆炸宇宙學(xué)的觀點(diǎn)不謀而合。

大爆炸是時(shí)空的起點(diǎn)，這是現(xiàn)代宇宙學(xué)的主流觀點(diǎn)，也是我們?cè)诖蟛糠挚破諘凶x到的內(nèi)容。但是，加州理工學(xué)院教授肖恩·卡羅爾（Sean Michael Carroll）并不認(rèn)為這已成定論。他認(rèn)為很有可能時(shí)空在大爆炸之前已經(jīng)存在，我們叫作大爆炸的這個(gè)節(jié)點(diǎn)，只是從一個(gè)階段到另一個(gè)階段的一種過渡。

卡羅爾在自己的作品《從永恒到此刻：追尋時(shí)間的終極奧秘》（From Eternity to Here：The Quest for the Ultimate Theory of Time）中詳細(xì)論證了以上看法。他寫這本書意在從生活中最平常的現(xiàn)象入手，引導(dǎo)我們了解宇宙中最大的謎團(tuán)之一并羅列出可能的答案，而他對(duì)于大爆炸的看法正是這些答案中的一個(gè)。

卡羅爾從事理論物理、宇宙學(xué)和引力理論的研究工作，除了是加州理工學(xué)院的物理學(xué)教授外，他還是著名的科普作家，出版過《尋找希格斯粒子》（The Particle at the End of the Universe）、《大圖景》（The Big Picture: On the Origins of Life, Meaning, and the Universe itself）和《隱藏的宇宙》（Something Deeply Hidden: Quantum World and the Emergence of Spacetime）等作品。

有意思的是，還有一位我們譯作肖恩·卡羅爾的著名學(xué)者（英文名是Sean B. Carroll）也是科普作家，這位是美國(guó)威斯康星大學(xué)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)教授，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的“兩院院士”。（這二位的中文版圖書的封面上都印著“肖恩·卡羅爾”，所以各位選書的時(shí)候一定分辨清楚，按需購(gòu)買。）

言歸正傳，說回這位從事物理學(xué)研究的肖恩·卡羅爾。2013年，彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois Englert）因?yàn)閷?duì)希格斯玻色子的理論研究而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，“上帝粒子”引發(fā)了更大的關(guān)注，卡羅爾的《尋找希格斯粒子》不久之后就在國(guó)內(nèi)出版。而與這本書相比，他的其他書關(guān)注的多是更加宏大的主題，比如《從永恒到此刻》關(guān)注的就是“時(shí)間之箭”。

時(shí)間之箭，顧名思義，就是說時(shí)間像一支箭一樣，有向前的方向——從過去到現(xiàn)在再到未來，這對(duì)我們而言習(xí)以為常。比如說，我們記得，這本《從永恒到此刻》的英文版出版于2010年，中文版出版于2021年5月，也就是幾個(gè)月前，相隔大約11年。但是，我們卻不“記得”再過11年（也就是2032年），卡羅爾的哪本書的哪個(gè)版本會(huì)出版。

也許你會(huì)說，我們當(dāng)然不知道2032年卡羅爾會(huì)出什么書，而且怎么能用“記得”呢？我們能“記得”的是過去的事情，而不是未來的事情。但是，為什么呢？過去和未來的區(qū)別究竟在哪里？時(shí)間是不對(duì)稱的嗎？我們的記憶有一個(gè)方向嗎？這些看似無厘頭的問題，實(shí)則都是卡羅爾在這本書中嘗試要解答的問題。

我們先把卡羅爾以后出書的事情放到一邊，來看生活中常見的例子：我們可以把雞蛋做成美味的雞蛋餅，也可以把牛奶加到咖啡里慢慢享受；但是，從來沒有人見過雞蛋餅可以自己再變回一枚完好的雞蛋，也沒人見過牛奶和咖啡在杯子里自動(dòng)分開。所以，這些事情看起來都有一個(gè)特定的方向，反過來就不行，似乎有一個(gè)暗藏的箭頭指示著事件發(fā)生的順序。

雖然對(duì)基本物理規(guī)律一無所知并不影響我們的日常生活，也不妨礙我們品嘗美味的雞蛋餅和咖啡，但是物理學(xué)家卻對(duì)這些現(xiàn)象感到困惑。當(dāng)然，物理學(xué)家也不是束手無策，他們手上有現(xiàn)成的解釋：熱力學(xué)第二定律，它決定了這個(gè)箭頭的方向。

這個(gè)定律說的是，熵會(huì)增加或者至少保持不變，而熵指的是物體或者物體集合的無序程度。在通常情況下，有序狀態(tài)會(huì)自然而然地傾向于變成無序。所以，把雞蛋做成雞蛋餅很容易，但是把雞蛋餅的分子重新組裝成一個(gè)雞蛋就做不到。同樣，這也能解釋為什么我們收拾好的辦公桌面過一段時(shí)間就又會(huì)變得亂糟糟——這是宇宙中最基本的規(guī)律在起作用（我們?yōu)樽约赫业搅艘粋€(gè)很科學(xué)的理由）。

小到雞蛋，大到宇宙，都遵循熱力學(xué)第二定律，只能從有序向無序的狀態(tài)演化，也就是從低熵向高熵演化，這就是時(shí)間之箭的方向。但這里蘊(yùn)含著一個(gè)關(guān)于宇宙初始狀態(tài)的重要假設(shè)：宇宙在最初時(shí)刻熵非常低，非常有序。如果我們自動(dòng)接受這樣的設(shè)定，那就可以高枕無憂。但是，我們并不滿足，至少卡羅爾不滿足，他在書中就試圖要解釋為什么會(huì)這樣。

在展開關(guān)于時(shí)間之箭、熵與熱力學(xué)第二定律的討論之前，卡羅爾還為讀者進(jìn)行了準(zhǔn)備。因?yàn)檫@一切討論（包括使這本書的書名中的“永恒”和“此刻”有意義）其實(shí)都基于一個(gè)最基本的前提——我們知道什么是時(shí)間。

“時(shí)間”這個(gè)概念在我們的生活中無處不在，也可能是人類創(chuàng)造的最偉大的概念之一。我們以為對(duì)時(shí)間了如指掌，但是只要問問朋友、翻一下詞典再查一下搜索引擎，我們就發(fā)現(xiàn)大家對(duì)時(shí)間的定義其實(shí)相去甚遠(yuǎn)?？_爾在書中列出了時(shí)間的三個(gè)定義：時(shí)間標(biāo)記了宇宙中的時(shí)刻；時(shí)間度量事件之間的間隔；時(shí)間是我們移動(dòng)的媒介。

簡(jiǎn)單地說，“現(xiàn)在是中午12:00”對(duì)應(yīng)第一個(gè)定義，“晚飯后散步1小時(shí)”對(duì)應(yīng)第二個(gè)定義，我們寫文章常會(huì)用到的“時(shí)光如水”對(duì)應(yīng)第三個(gè)定義。前兩個(gè)定義很簡(jiǎn)潔，第三個(gè)定義則有些含糊?？_爾在書中提到，為什么時(shí)間看起來就像在我們身邊流動(dòng)，即時(shí)間像水流一樣，或者說為什么我們似乎在穿過時(shí)間，就像我們?cè)谒袆澊粯?，正是因?yàn)榇嬖跁r(shí)間之箭。

不過，這些我們通常理解的時(shí)間概念都隨著相對(duì)論的出現(xiàn)被改寫。在相對(duì)論中，三維的空間和一維的時(shí)間結(jié)合成四維時(shí)空，牛頓的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間不復(fù)存在。我們開始以全新的方式理解時(shí)間，這也成為研究時(shí)間之箭的基礎(chǔ)。

既然我們了解到在宇宙中（以及在我們的生活中）存在一個(gè)從過去到現(xiàn)在指向未來的時(shí)間之箭，那無論是出于大膽的想象還是出于懷舊的本能，我們都想了解是否存在反其道而行之的可能性。時(shí)間旅行是很多讀者（以及科幻作品的作者）感興趣的內(nèi)容，廣義相對(duì)論從理論上并不排斥時(shí)間旅行令人欣喜?？_爾在書中也用了不小的篇幅來解讀時(shí)間旅行，但是他的解讀方式并不是很多科幻作品中出現(xiàn)的各式各樣的時(shí)間機(jī)器（比如椅子、飛船或者神秘博士Dr. Who的電話亭），而是一道物理學(xué)定律允許我們?cè)跁r(shí)間中來回穿越的“時(shí)間之門”。

卡羅爾介紹的“時(shí)間之門”對(duì)有些讀者來說也許并不陌生?？苹米骷姨氐隆そ?/span>（Ted Chiang，就是被改編成電影《降臨》的科幻小說《你一生的故事》的原作者）寫過一篇名為《商人和煉金術(shù)士之門》的科幻小說，其中就利用了“時(shí)間之門”的概念，而他也在小說的后記里提到了他創(chuàng)作的靈感來自基普·索恩（Kip Throne）對(duì)時(shí)間機(jī)器的研究。

索恩因?yàn)檠芯恳Σǘ@得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他也是克里斯托弗·諾蘭（Christopher Nolan）的電影《星際穿越》（Interstellar）的科學(xué)顧問。諾蘭的最新作品是2020年上映的《信條》（Tenet），這部電影以時(shí)間旅行為核心框架，自然又再次找到索恩擔(dān)任科學(xué)顧問?！缎艞l》上映后，各種解讀鋪天蓋地，令很多觀眾云里霧里，其實(shí)《從永恒到此刻》就是非常適合的參考讀物。

既然說到特德·姜，我們可以再多說一句。他還寫過一篇精彩的短篇科幻小說《呼吸》（他的第二部中文版科幻小說集也是這個(gè)名字），他在后記中提到，這篇小說受到了羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）的研究的影響。彭羅斯因?yàn)椤鞍l(fā)現(xiàn)黑洞形成是廣義相對(duì)論的有力預(yù)言”而獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他早期和霍金共同完成的研究對(duì)黑洞及宇宙學(xué)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

不過，彭羅斯影響特德·姜的是關(guān)于時(shí)間之箭的觀點(diǎn)：正是因?yàn)橛钪嬲Q生在一個(gè)高度有序的狀態(tài)（即低熵的狀態(tài)），我們（人類）才能夠存在。彭羅斯在他的科普名著《皇帝新腦》（The Emperor’s New Mind）中詳細(xì)論述了這個(gè)觀點(diǎn)，感興趣的讀者可以拿來作為卡羅爾這本書的對(duì)照。

卡羅爾在書中帶著我們?cè)凇皶r(shí)間之門”的兩側(cè)穿來穿去，但（對(duì)有些讀者來說）遺憾的是，他通過一系列論證最終告訴我們，理論上看似可行的這道門實(shí)際上無法存在。這樣，我們就不能穿越到過去，也不必再受祖父悖論的困擾。

在討論時(shí)間旅行的時(shí)候，卡羅爾主要是以狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論作為工具。他隨后帶領(lǐng)我們探索時(shí)間之箭的主要工具還有玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）、麥克斯韋（James Clerk Maxwell）等人建立起的熱力學(xué)（以及進(jìn)一步發(fā)展的統(tǒng)計(jì)力學(xué)）和一批杰出科學(xué)家在20世紀(jì)初期建立起的量子力學(xué)。

圖片來源unsplush

我們現(xiàn)在知道，熵的增加指明了時(shí)間之箭的方向，但是最早研究熵、熱力學(xué)第二定律的科學(xué)家可沒想這么多?？ㄖZ（Nicolas Léonard Sadi Carnot）、克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）等人最初只是想造出效率更高的蒸汽機(jī)，但在這個(gè)過程中，他們逐漸發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)的規(guī)律（熱力學(xué)第一、第二、第三和第零定律）。玻爾茲曼的研究揭示了微觀世界的變化規(guī)律，并給出了衡量微觀狀態(tài)的定量公式，他也洞察出隱藏在熱力學(xué)第二定律背后的時(shí)間之箭。在大爆炸理論甚至現(xiàn)代宇宙學(xué)還未誕生的時(shí)候，玻爾茲曼已經(jīng)開始思考宇宙的演化以及最終的結(jié)局。

需要注意的是，對(duì)于一些宏大的主題，古人與今人有類似的看法并不意外，但神學(xué)家、哲學(xué)家和科學(xué)家的出發(fā)點(diǎn)完全不同，所以我們決不能把奧古斯丁的想法和大爆炸理論混為一談，認(rèn)為科學(xué)的想法早已有之。玻爾茲曼等人的努力，才是思考時(shí)間之箭的真正開端。

和相對(duì)論一樣，量子力學(xué)徹底改變了我們認(rèn)識(shí)世界的方式，當(dāng)然包括我們理解時(shí)間之箭的方式。時(shí)間有了量子屬性，變得不確定，而是由概率所描述，而同樣有了量子屬性的還有黑洞。雖然我們看不見黑洞，但是確信黑洞真的存在。2020年，萊茵哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·吉茲（Andrea Ghez）因?yàn)椤鞍l(fā)現(xiàn)了銀河系中心的超大質(zhì)量致密天體”（也就是黑洞）而和彭羅斯分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）對(duì)黑洞研究作出了革命性的貢獻(xiàn)。他利用量子力學(xué)和狹義相對(duì)論結(jié)合而成的量子場(chǎng)論研究黑洞，發(fā)現(xiàn)“黑洞不黑”，而是能發(fā)出輻射。這表明黑洞也有熵，這種輻射后來被稱為霍金輻射。不過，霍金輻射即使真的存在，我們現(xiàn)有的探測(cè)手段也遠(yuǎn)不能探測(cè)到如此微弱的輻射，否則霍金有生之年就能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。霍金的黑洞輻射理論把熱力學(xué)、量子力學(xué)和相對(duì)論融合到一起，這正是他的偉大之處。

霍金等人對(duì)黑洞的研究，幫助物理學(xué)家更好地理解時(shí)間之箭，因?yàn)楹诙礊殪睾鸵χg的聯(lián)系提供了關(guān)鍵的線索。在此基礎(chǔ)上，物理學(xué)家又發(fā)展出暴脹和多重宇宙的理論?；艚鹑ナ狼白詈笠黄瓿傻恼撐脑谒ナ酪粋€(gè)多月后（2018年5月2日）發(fā)表，這篇他和他以前的博士生、比利時(shí)魯汶大學(xué)教授托馬斯·赫托格（Thomas Hertog）合作完成的論文，討論的正是永恒暴脹和多重宇宙的問題。

簡(jiǎn)而言之，在大爆炸發(fā)生后的極短時(shí)間內(nèi)，宇宙以驚人的速度膨脹，這就是暴脹。在宇宙的某些區(qū)域內(nèi)，暴脹永遠(yuǎn)不會(huì)停止，這就是永恒暴脹。我們的“宇宙”（也稱作可觀測(cè)宇宙）只是一個(gè)暴脹已經(jīng)停止而恒星和星系得以形成、生命得以出現(xiàn)的局部區(qū)域而已。這樣一來，整個(gè)宇宙就是一個(gè)“多重宇宙”。

多重宇宙為解釋時(shí)間之箭和宇宙的演化提供了一種可能性，因?yàn)槲覀兊挠钪嫫鹗检睾艿椭皇菃渭円驗(yàn)殪乜梢愿汀５缈_爾在書中所說，這也只是一種可能性而已，擺在物理學(xué)家面前的還有其他很多候選方案。在《從永恒到此刻》中，卡羅爾反復(fù)強(qiáng)調(diào)，我們有值得信賴的理論（熱力學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)），也在探索不甚了解的理論（比如統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的量子引力），更有天馬行空、完全猜測(cè)的理論（比如反沖宇宙和多重宇宙）。即使在研究過程中會(huì)走歧路甚至被證明完全錯(cuò)誤，我們都應(yīng)該大膽地面對(duì)這些猜想，不放過任何可能性，這是科學(xué)研究的本質(zhì)特征。

在《從永恒到此刻》的最后，在經(jīng)過一番充滿熵、時(shí)間之箭和宇宙演化這些概念的頭腦風(fēng)暴后，我們卻發(fā)現(xiàn)自己仍不知道那個(gè)解釋時(shí)間之箭為何存在的答案究竟是什么。不過，這一點(diǎn)都不令人失望，因?yàn)樵谝惶寺贸讨行蕾p沿途風(fēng)景的意義可能不亞于最終抵達(dá)目的地。再樂觀一點(diǎn)，沒有找到答案未必是壞事，這恰恰證明了宇宙的價(jià)值，畢竟前不久去世的杰出物理學(xué)家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）就曾說過：“宇宙越是看起來可以理解，就越是顯得毫無意義?！?/span>

就個(gè)人而言，面對(duì)書中不斷出現(xiàn)的天文數(shù)字，我們不得不承認(rèn)自己的渺小，從這些冷冰冰的事實(shí)和規(guī)律中我們也很難找到目的和意義。但是，人類進(jìn)化的歷史已經(jīng)證明，我們正是在發(fā)現(xiàn)這些事實(shí)、尋找這些規(guī)律的過程中賦予自身以目的和意義?？_爾說，他曾經(jīng)在一家俱樂部里因?yàn)榻忉尠的芰慷玫搅艘槐赓M(fèi)飲品，這是他研究宇宙的額外收獲。我們讀過《從永恒到此刻》，會(huì)發(fā)現(xiàn)我們?yōu)榱私鈺r(shí)間所付出的時(shí)間絕對(duì)值得，也肯定會(huì)獲得一份意想不到的收獲。