宇宙诞生之前，时间可以倒流？其他宇宙或许会这样

　　来源：环球科学微信公众号

　　不论时间向前还是向后流淌，基本物理学定律都能很好地发挥作用，可是我们感觉到的时间只向着未来这一个方向前进。这是为什么？

　　解释时间箭头必须回溯到大爆炸之前，探究宇宙的“史前历史”。我们的宇宙也许是一个大得多的多重宇宙的一部分。作为一个整体，多重宇宙是时间对称的。在其他宇宙中，时间也许会倒流。

　　我们的宇宙看起来有点儿不太正常。这句话听起来很怪，毕竟宇宙学家没有多少可以拿来比较的标准。我们怎么知道正常的宇宙应该是什么样子？不过多年来，我们已经培养出了一种强烈的直觉，能够判断什么才算“正常”——我们所见的宇宙并不符合这种直觉标准。

　　千万不要误会，宇宙学家在理解宇宙方面并没遇到困难。相反，他们取得了令人难以置信的成功，不仅分析出宇宙由什么构成，还阐明了宇宙如何演化而来。大约140亿年前，宇宙的温度之高、密度之大，远远超过恒星内部的极端环境；随着空间结构的膨胀，宇宙逐渐冷却，物质也日益稀薄。这一模型可以解释我们观测到的所有现象，不过仍有少量异常特性，特别是早期宇宙的若干特点，暗示宇宙中还存在一些我们没有理解的东西。

　　宇宙的种种“不正常”之中，最突出的莫过于时间的不对称性。描述宇宙种种变化过程的微观物理法则并不区分过去与未来，而炽热、致密、物质均匀分布的早期宇宙却与今天寒冷、稀薄、团块丛生的宇宙截然不同。宇宙最初是有序的，此后便一步步走向无序。时间的不对称性，也就是从过去指向未来的时间箭头，在我们的日常生活中表现得淋漓尽致：它可以解释为什么我们无法把煎蛋卷还原成鸡蛋，为什么杯子里的水不会自己冻结成四方形的冰块，为什么我们记住的是过去而不是未来。我们所经历的这种时间不对称性，源头可以一直追溯到大爆炸刚刚发生时宇宙整洁有序的状态。

　　可以说，对于最明显的宇宙特性——时间箭头，宇宙学家目前还无法解释。不过，这一谜题暗示，除了我们的可观测宇宙之外，还存在一个我们无法观测的时空，比我们的宇宙大得多。时间箭头支持这样的观点：我们所在的宇宙其实是多重宇宙的一部分，多重宇宙的动力学可以帮助我们解释那些在我们的宇宙中看起来不太正常的特征。

　　熵之谜

　　物理学家把时间不对称性的概念融入到著名的热力学第二定律之中，该定律可以表述为：一个封闭系统的熵（entropy）永远不会减小。大体上说，熵可以度量一个系统的混乱程度。19世纪，奥地利物理学家路德维格·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）用物体的微观状态与宏观状态间的差异来解释熵。如果让你描述一杯咖啡，你提到的很可能就是它的宏观状态，比如温度、压强和其他整体性质；而微观状态是指这杯咖啡中每一个原子的确切位置和速度。任何一种宏观状态，都有许多微观状态与之对应：我们可以把一个原子挪来挪去，没有人会在宏观尺度上注意到这些变化。

　　熵是对应于同一种宏观状态的不同微观状态的数目。（确切地说，熵是这一数目的对数。）因此对于一定数目的原子来说，让它们排列成高熵状态要比排列成低熵状态更容易，因为前者的排列方式更多。设想把牛奶倒入咖啡中。让牛奶和咖啡充分混合的分子排布方式难以尽数，而让牛奶与周围的咖啡泾渭分明的分子排布方式相对来说就少得多。因此两者充分混合时，系统的熵更高。

　　从这个观点出发，熵趋向于随时间增大也就不足为奇了。系统的任何一种改变都相当于重新选择微观状态，而高熵状态的数量远远超过低熵状态，因此随机选中低熵状态的可能性低得可以忽略不计，系统几乎总是会选中某一高熵状态。这就是牛奶和咖啡可以混合，混合后却不会自然分离的原因。尽管从物理上说，所有的牛奶分子可能自发聚集排列在一起，但从统计上讲，这种可能性几乎为零。如果你想等分子的随机运动碰巧使牛奶和咖啡彼此分离，等待的时间往往比可观测宇宙目前的年龄还要久。时间箭头仅仅是系统向某个数量更多、更自然的高熵状态演化的趋势而已。

　　不过，解释低熵状态为什么会向高熵状态演化是一回事，解释我们宇宙中的熵为什么会增长却是另外一回事。问题依然存在：为什么宇宙形成之初熵很低？由于低熵状态十分罕见，这一点也就显得极不正常。即便承认我们的宇宙今天仍处于中熵状态，也无法解释为什么过去的熵比现在更低。多种不同的初始状态都可以演化出类似的宇宙，其中高熵初始状态占据了绝大多数，远远压倒了低熵初始状态。

　　换句话说，真正的挑战不在于解释宇宙的熵为什么明天比今天高，而在于解释为什么昨天比今天低，而前天又比昨天更低。我们可以遵循这种逻辑一直逆推到可观测宇宙的时间开端。因此，时间的不对称性最终是一个需要用宇宙学来解答的问题。

　　虚空的混乱

　　早期宇宙非常“诡异”。构成我们今天可观测宇宙的所有粒子，当初都被挤压在极端炽热、致密的一个狭小空间之内。最重要的是，这些粒子在整个空间中的分布都极为均匀。平均而言，不同地点的密度差异仅有大约十万分之一。随着宇宙的膨胀和冷却，引力作用逐渐“放大”了这些差异。最初粒子数量稍多一些的区域形成了恒星和星系，而粒子数量稍少一些的区域则被清空形成了空洞。

　　很明显，引力是宇宙演化的关键因素。可惜，我们还无法完全理解与引力有关的熵。引力源于时空的几何形状，不过我们目前还没有找到一个全面的时空理论——那是量子引力论苦苦追寻的目标。尽管我们可以把液体的熵与构成该液体的分子的运动状态联系起来，我们却不知道空间由什么构成，因此也就无法了解对应于某一宏观状态的引力微观状态究竟有多少。

　　不过，对于熵的演化，我们已经有了一个粗略的概念。在引力可以忽略的情况下（比如说一杯咖啡），均匀分布的粒子拥有高熵。这种情形就是平衡态。就算粒子进行重新分布，它们也早已混合得十分彻底，从宏观上几乎看不出任何变化。不过，如果引力不可忽略且空间体积固定的话，粒子均匀分布时熵却相对较低。在这种情况下，系统远没有达到平衡。引力会使粒子聚集成恒星和星系，熵也会随之显著增长——与热力学第二定律相符。

　　事实上，在引力不可忽略的固定空间中，如果要让熵达到最大，最终我们会得到一个黑洞。20世纪70年代，英国剑桥大学的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）证明了目前在以色列耶路撒冷希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）任教的雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）提出的一个诱人假设：黑洞完全符合热力学第二定律。就像第二定律最早提出时用来描述的炽热物体一样，黑洞也会发出辐射，也有熵——很多的熵。银河系中心的超大黑洞质量是太阳的100万倍，它所拥有的熵则是可观测宇宙中所有普通粒子总熵的100倍。

　　最终，就连黑洞也会通过霍金辐射“蒸发”殆尽。黑洞的熵并不是最高的，仅仅是约束在固定空间内的最高熵。不过，宇宙中空间的增长似乎是永无止境的。1998年，天文学家发现宇宙膨胀正在加速。对此最直接的解释就是宇宙中存在暗能量，这种能量存在于真空之中，似乎不会随宇宙的膨胀而有所稀释。这并不是对宇宙加速膨胀的唯一解释，不过寻找其他更好答案的努力目前仍毫无建树。

　　如果暗能量确实不会稀释，宇宙将永远膨胀下去。遥远的星系将从我们的视野中消失。那些不会坍缩成黑洞的物体，最终也会蒸发，消失在周围的黑暗之中，就像炎炎夏日里的小水坑逃脱不了注定干涸的命运一样。最终宇宙将变成一片虚空，真正意义上的空无一物。只有到那个时候，宇宙的熵才能达到最大。宇宙将处于平衡状态，几乎不会再发生任何事情。

　　空无一物的空间却拥有极大的熵，这一点听起来很奇怪，简直就是在说，世界上最杂乱的课桌是那些桌面上什么都没有的课桌。不过，真空确实拥有大量微观状态——这些量子引力微观状态构成了空间的几何结构。我们还不知道这些状态究竟是什么，也不清楚黑洞的熵对应的微观状态是什么，不过我们清楚地知道，在一个加速膨胀的宇宙里，可观测空间区域内的熵将趋近于一个常数，该常数与这一区域的边界面积成正比，庞大得令人无法想像，远远超出了这片区域内物质所含的熵的总和。

　　过去VS未来

　　上述模型的明显特征就是，过去和未来之间存在显著差异。宇宙起始于一个熵极低的状态，所有粒子都均匀挤压在一起。随着宇宙的演化，它会经历中熵状态，也就是我们观察到的、恒星和星系成团分布的现状。最终，宇宙将达到高熵状态：空间中几乎空无一物，偶尔才会有低能粒子在其中游荡。