连夜出差，請假一天 作者：原艾伦 《時間箭头》--节选自《時間简史》 我們在前几章中看到了，长期以来人们關於時間性质的观点是如何变化的。直到本世纪初，人们還相信绝对時間。也就是說，每一事件可由一個称为“時間“的数以唯一的方式来标记，所有好的钟在测量两個事件之间的時間间隔上都是一致的。然而，对于任何正在运动的观察者光速总是一样的這一发现，导致了相对论；而在相对论中，人们必须抛弃存在一個唯一的绝对時間的观念。代之以每個观察者携带的钟所记录的他自己的時間测量--不同观察者携带的钟不必要读数一样。這样，对于进行测量的观察者而言，時間变成一個更主观的概念。 当人们试图统一引力和量子力学时，必须引入“虚“時間的概念。虚時間是不能和空间方向区分的。如果一個人能往北走，他就能转過头并朝南走；同样的，如果一個人能在虚時間裡向前走，他应该能够转過来并往后走。這表明在虚時間裡，往前和往后之间不可能有重要的差别。另一方面，当人们考察“实“時間时，正如众所周知的，在前进和后退方向存在有非常巨大的差别。這過去和将来之间的差别从何而来？为何我們记住過去而不是将来？ 科学定律并不区别過去和将来。更精确地讲，正如前面所解释的，科学定律在称作c、p和t的联合作用（或对称）下不变。（c是指将反粒子来替代粒子；p的意思是取镜象，這样左和右就互相交换了；t是指颠倒所有粒子的运动方向，也就是使运动倒退回去。）在所有正常情形下，制约物体行为的科学定律在cp联合对称下不变。换言之，对于其他行星上的居民，若他们是我們的镜像并且由反物质而不是物质构成，则生活会刚好是同样的。 如果科学定律在cp联合对称以及cpt联合对称下都不变，它们也必须在单独的t对称下不变。然而，在日常生活的实時間中，前进和后退的方向之间還是有一個大的差异。想像一杯水从桌子上滑落到地板上被打碎。如果你将其录像，你可以容易地辨别出它是向前进還是向后退。如果将其倒回来，你会看到碎片忽然集中到一起离开地板，并跳回到桌子上形成一個完整的杯子。你可断定录像是在倒放，因为這种行为在日常生活中从未见過。如果這样的事发生，陶瓷业将无生意可做。 为何我們从未看到碎杯子集合起来，离开地面并跳回到桌子上，通常的解释是這违背了热力学第二定律所表述的在任何闭合系统中无序度或熵总是随時間而增加。换言之，它是穆菲定律的一种形式：事情总是趋向于越变越糟：桌面上一個完整的杯子是一個高度有序的状态，而地板上破碎的杯子是一個无序的状态。人们很容易从早先桌子上的杯子变成后来地面上的碎杯子，而不是相反。 无序度或熵随着時間增加是一個所谓的時間箭头的例子。時間箭头将過去和将来区别开来，使時間有了方向。至少有三种不同的時間箭头：第一個，是热力学時間箭头，即是在這個時間方向上无序度或熵增加；然后是心理学時間箭头，這就是我們感觉時間流逝的方向，在這個方向上我們可以记忆過去而不是未来；最后，是宇宙学時間箭头，在這個方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。 我将在這一章论断，宇宙的无边界條件和弱人择原理一起能解释为何所有的三個箭头指向同一方向。此外，为何必须存在一個定义得很好的時間箭头。我将论证心理学箭头是由热力学箭头所决定，并且這两种箭头必须总是指向相同的方向。如果人们假定宇宙的无边界條件，我們将看到必然会有定义得很好的热力学和宇宙学時間箭头。但对于宇宙的整個歷史来說，它们并不总是指向同一方向。然而，我将指出，只有当它们指向一致时，对于能够发问为何无序度在宇宙膨胀的時間方向上增加的智力生命的发展，才有合适的條件。 首先，我要讨论热力学時間箭头。总存在着比有序状态更多得多的无序状态的這一事实，是使热力学第二定律存在的原因。譬如，考虑一盒拼板玩具，存在一個并且只有一個使這些小纸片拼成一幅完整图画的排列。另一方面，存在巨大数量的排列，這时小纸片是无序的，不能拼成一幅画。 假设一個系统从這少数的有序状态之中的一個出发。随着時間流逝，這個系统将按照科学定律演化，而且它的状态将改变。到后来，因为存在着更多的无序状态，它处于无序状态的可能性比处于有序状态的可能性更大。這样，如果一個系统服从一個高度有序的初始條件，无序度会随着時間的增加而增大。 假定拼板玩具盒的纸片从能排成一幅图画的有序组合开始，如果你摇动這盒子，這些纸片将会采用其他组合，這可能是一個不能形成一幅合适图画的无序的组合，就是因为存在如此之多得多的无序的组合。有一些纸片团仍可能形成部份图画，但是你越摇动盒子，這些团就越可能被分开，這些纸片将处于完全混乱的状态，在這种状态下它们不能形成任何种类的图画。這样，如果纸片从一個高度有序的状态的初始條件出发，纸片的无序度将可能随時間而增加。 然而，假定上帝决定不管宇宙从何状态开始，它都必须结束于一個高度有序的状态，则在早期這宇宙有可能处于无序的状态。這意味着无序度将随時間而减小。你将会看到破碎的杯子集合起来并跳回到桌子上。然而，任何观察杯子的人都生活在无序度随時間减小的宇宙中，我将论断這样的人会有一個倒溯的心理学時間箭头。這就是說，他们会记住将来的事件，而不是過去的事件。当杯子被打碎时，他们会记住它在桌子上的情形；但是当它是在桌子上时，他们不会记住它在地面上的情景。 由于我們不知道大脑工作的细节，所以讨论人类的记忆是相当困难的。然而，我們确实知道计算机的记忆器是如何工作的。所以，我将讨论计算机的心理学時間箭头。我认为，假定计算机和人类有相同的箭头是合理的。如果不是這样，人们可能因为拥有一台记住明年价格的计算机而使股票交易所垮台。 大体来說，计算机的记忆器是一個包含可存在于两种状态中的任一种状态的元件的设备，算盘是一個简单的例子。其最简单的形式是由许多铁條组成；每一根铁條上有一念珠，此念珠可呆在两個位置之中的一個。在计算机记忆器进行存储之前，其记忆器处于无序态，念珠等几率地处于两個可能的状态中。（算盘珠杂乱无章地散布在算盘的铁條上）。在记忆器和所要记忆的系统相互作用后，根据系统的状态，它肯定处于這种或那种状态（每個算盘珠将位于铁條的左边或右边。）這样，记忆器就从无序态转变成有序态。然而，为了保证记忆器处于正确的状态，需要使用一定的能量（例如，移动算盘珠或给计算机接通电源）。這能量以热的形式耗散了，从而增加了宇宙的无序度的量。人们可以证明，這個无序度增量总比记忆器本身有序度的增量大。這样，由计算机冷却风扇排出的热量表明计算机将一個项目记录在它的记忆器中时，宇宙的无序度的总量仍然增加。计算机记忆過去的時間方向和无序度增加的方向是一致的。 所以，我們对時間方向的主观感觉或心理学時間箭头，是在我們头脑中由热力学時間箭头所决定的。正像一個计算机，我們必须在熵增加的顺序上将事物记住。這几乎使热力学定律变成为无聊的东西。无序度随時間的增加乃是因为我們是在无序度增加的方向上测量時間。拿這一点来打赌，准保你会赢。 但是究竟为何必须存在热力学時間箭头？或换句话說，在我們称之为過去時間的一端，为何宇宙处于高度有序的状态？为何它不在所有時間裡处于完全无序的状态？毕竟這似乎更为可能。并且为何无序度增加的時間方向和宇宙膨胀的方向相同？ 在经典广义相对论中，因为所有已知的科学定律在大爆炸奇点处失效，人们不能预言宇宙是如何开始的。宇宙可以从一個非常光滑和有序的状态开始。這就会导致正如我們所观察到的、定义很好的热力学和宇宙学的時間箭头。但是，它可以同样合理地从一個非常波浪起伏的无序状态开始。在那种情况下，宇宙已经处于一种完全无序的状态，所以无序度不会随時間而增加。或者它保持常数，這时就沒有定义很好的热力学時間箭头；或者它会减小，這时热力学時間箭头就会和宇宙学時間箭头相反向。任何這些可能性都不符合我們所观察到的情况。然而，正如我們看到的，经典广义相对论预言了它自身的崩溃。当空间--時間曲率变大，量子引力效应变得重要，并且经典理论不再能很好地描述宇宙时，人们必须用量子引力论去理解宇宙是如何开始的。 正如我們在上一章看到的，在量子引力论中，为了指定宇宙的态，人们仍然必须說清在過去的空间-時間的边界的宇宙的可能歷史是如何行为的。只有如果這些歷史满足无边界條件，人们才可能避免這個不得不描述我們不知道和无法知道的东西的困难：它们在尺度上有限，但是沒有边界、边缘或奇点。在這种情形下，時間的开端就会是规则的、光滑的空间-時間的点，并且宇宙在一個非常光滑和有序的状态下开始它的膨胀。它不可能是完全均匀的，否则就违反了量子理论不确定性原理。必然存在密度和粒子速度的小起伏，然而无边界條件意味着，這些起伏又是在与不确定性原理相一致的條件下尽可能的小。 宇宙刚开始时有一個指数或“暴涨“的时期，在這期间它的尺度增加了一個非常大的倍数。在膨胀时，密度起伏一开始一直很小，但是后来开始变大。在密度比平均值稍大的区域，额外质量的引力吸引使膨胀速度放慢。最终，這样的区域停止膨胀，并坍缩形成星系、恒星以及我們這样的人类。宇宙开始时处于一個光滑有序的状态，随時間演化成波浪起伏的无序的状态。這就解释了热力学時間箭头的存在。 如果宇宙停止膨胀并开始收缩将会发生什么呢？热力学箭头会不会倒转過来，而无序度开始随時間减少呢？這为从膨胀相存活到收缩相的人们留下了五花八门的科学幻想的可能性。他们是否会看到杯子的碎片集合起来离开地板跳回到桌子上去？他们会不会记住明天的价格，并在股票市场上发财致富？由于宇宙至少要再等一百亿年之后才开始收缩，忧虑那时会发生什么似乎有点学究气。但是有一种更快的办法去查明将来会发生什么，即跳到黑洞裡面去。恒星坍缩形成黑洞的過程和整個宇宙的坍缩的后期相当类似；這样，如果在宇宙的收缩相无序度减小，可以预料它在黑洞裡面也会减小。所以，一個落到黑洞裡去的航天员能在投赌金之前，也许能依靠记住轮赌盘上球儿的走向而赢钱。（然而，不幸的是，玩不了多久，他就会变成意大利面條。他也不能使我們知道热力学箭头的颠倒，或者甚至将他的赢钱存入银行，因为他被困在黑洞的事件视界后面。） 起初，我相信在宇宙坍缩时无序度会减小。這是因为，我认为宇宙再变小时，它必须回到光滑和有序的状态。這表明，收缩相仅仅是膨胀相的時間反演。处在收缩相的人们将以倒退的方式生活：他们在出生之前即已死去，并且随着宇宙收缩变得更年轻。 這個观念是吸引人的，因为它表明在膨胀相和收缩相之间存在一個漂亮的对称。然而，人们不能置其他有关宇宙的观念于不顾，而只采用這個观念。問題在于：它是否由无边界條件所隐含或它是否与這個條件不相协调？正如我說過的，我起先以为无边界條件确实意味着无序度会在收缩相中减小。我之所以被误导，部分是由于与地球表面的类比引起的。如果人们将宇宙的开初对应于北极，那么宇宙的终结就应该类似于它的开端，正如南极之与北极相似。然而，北南二极对应于虚時間中的宇宙的开端和终结。在实時間裡的开端和终结之间可有非常大的差异。我還被我作過的一项简单的宇宙模型的研究所误导，在此模型中坍缩相似乎是膨胀相的時間反演。然而，我的一位同事，宾夕凡尼亚州立大学的当·佩奇指出，无边界條件沒有要求收缩相必须是膨胀相的時間反演。我的一個学生雷蒙·拉夫勒蒙进一步发现，在一個稍复杂的模型中，宇宙的坍缩和膨胀非常不同。我意识到自己犯了一個错误：无边界條件意味着事实上在收缩相时无序度继续增加。当宇宙开始收缩时或在黑洞中热力学和心理学時間箭头不会反向。 当你发现自己犯了這样的错误后该如何办？有些人从不承认他们是错误的，而继续去找新的往往互相不协调的论据为自己辩解--正如爱丁顿在反对黑洞理论时之所为。另外一些人首先宣称，从来沒有真正支持過不正确的观点，如果他们支持了，也只是为了显示它是不协调的。在我看来，如果你在出版物中承认自己错了，那会好得多并少造成混乱。爱因斯坦即是一個好的榜样，他在企图建立一個静态的宇宙模型时引入了宇宙常数，他称此为一生中最大的错误。 回头再說時間箭头，余下的問題是；为何我們观察到热力学和宇宙学箭头指向同一方向？或换言之，为何无序度增加的時間方向正是宇宙膨胀的時間方向？如果人们相信，按照无边界假设似乎所隐含的那样，宇宙先膨胀然后重新收缩，那么为何我們应在膨胀相中而不是在收缩相中，這就成为一個問題。 人们可以在弱人择原理的基础上回答這個問題。收缩相的條件不适合于智慧人类的存在，而正是他们能够提出为何无序度增加的時間方向和宇宙膨胀的時間方向相同的問題。无边界假设预言的宇宙在早期阶段的暴涨意味着，宇宙必须以非常接近为避免坍缩所需要的临界速率膨胀，這样它在很长的時間内才不至坍缩。到那时候所有的恒星都会烧尽，而在其中的质子和中子可能会衰变成轻粒子和辐射。宇宙将处于几乎完全无序的状态，這时就不会有强的热力学時間箭头。由于宇宙已经处于几乎完全无序的状态，无序度不会增加很多。然而，对于智慧生命的行为来說，一個强的热力学箭头是必需的。为了生存下去，人类必须消耗能量的一种有序形式--食物，并将其转化成能量的一种无序形式--热量，所以智慧生命不能在宇宙的收缩相中存在。這就解释了，为何我們观察到热力学和宇宙学的時間箭头指向一致。并不是宇宙的膨胀导致无序度的增加，而是无边界條件引起无序度的增加，并且只有在膨胀相中才有适合智慧生命的條件。 总之，科学定律并不能区分前进和后退的時間方向。然而，至少存在有三個時間箭头将過去和将来区分开来。它们是热力学箭头，這就是无序度增加的時間方向；心理学箭头，即是在這個時間方向上，我們能记住過去而不是将来；還有宇宙学箭头，也即宇宙膨胀而不是收缩的方向。我指出了心理学箭头本质上应和热力学箭头相同。宇宙的无边界假设预言了定义得很好的热力学時間箭头，因为宇宙必须从光滑、有序的状态开始。并且我們看到，热力学箭头和宇宙学箭头的一致，乃是由于智慧生命只能在膨胀相中存在。收缩相是不适合于它的存在的，因为那儿沒有强的热力学時間箭头。 人类理解宇宙的进步，是在一個无序度增加的宇宙中建立了一個很小的有序的角落。如果你记住了這本书中的每一個词，你的记忆就记录了大约200万单位的信息--你头脑中的有序度就增加了大约200万单位。然而，当你读這本书时，你至少将以食物为形式的1千卡路裡的有序能量，转换成为以对流和汗释放到你周围空气中的热量的形式的无序能量。這就将宇宙的无序度增大了大约20亿亿亿单位，或大约是你头脑中有序度增量--那是如果你记住這本书的每一件事的话--的1干亿亿倍。我试图在下一章更增加一些我們头脑的有序度，解释人们如何将我描述過的部分理论结合一起，形成一個完整的统一理论，這個理论将适用于宇宙中的任何东西。