我们知道时间将如何结束,但时间是如何开始的?

科技 10个月前 社科兔
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我们知道时间将如何结束,但时间是如何开始的?

  新浪科技讯 北京时间12月9日消息,据国外媒体报道,如果将我们的日常生活拍成电影,然后倒放,观众们一定会注意到许多不对劲:河水朝山上流,破碎的鸡蛋重新合为一体,潮水退回海中、沙滩上随之出现了足迹……在现实生活中,我们可以毫不费力地辨认出哪些是过去、哪些是未来,因此顺序一旦颠倒,我们就很容易看出其中的问题。这种自然现象自带的方向性又叫“时间箭头”。由于我们对它太过熟悉,很难想象它的起源至今还是个未解之谜。

  热力学与时间箭头

  物理学家最早遇到时间箭头的问题是在19世纪、研究气体分子运动规律的时候。假设有一个装满气体的盒子,中间由一道屏障隔开,左侧的气体温度比右侧的高。若将屏障撤掉,左侧快速运动的分子便会与右侧运动速度较慢的分子相互碰撞,使能量重新分配。不久,气体的温度便会变得统一,即所谓的热力学平衡状态。这一过程是不可逆的,永远不可能反向发生。若没有外界干预,热量永远都是从高温热源向低温热源流动,这便是热力学第二定律。

  这个结果看似简单,但其中其实暗藏着一条悖论。支配分子运动的物理学定律具有时间对称性,不会区分过去与未来。如果在某种魔法的作用下,盒子里的所有气体分子的速度突然同时反转,盒中的气体温度便会一侧高、一侧低。分子运动法则本身并不会阻止热量违反热力学第二定律、从低温向高温流动。我们之所以不会看到这种诡异的时间顺序,是由其初始条件决定的。上文举例中的气体开始时处于有序状态,热能的分布并不均匀。要想解释盒中气体的时间箭头,首先要弄清它是如何达到这种初始状态的。

  1852年,物理学家开尔文男爵将热力学第二定律应用到了宇宙学中,结果得出了科学史上最令人沮丧的结论。开尔文称,宇宙正在缓慢地死去,沿着一条下坡路上一去不回头,最终所有可用的能量源都将耗尽,宇宙也将随之陷入死寂。

  开尔文对宇宙热寂的预测不难理解,我们只需要看看太阳就行。太阳一直在以1020兆瓦的功率、一刻不停地向冰冷的宇宙喷吐热量。只要太阳的核燃料尚未用尽,这一过程就会一直持续下去。但这些燃料迟早会耗尽,太阳也会随之死去。不仅是太阳,这也是所有恒星的命运、甚至整个宇宙的命运。宇宙不可能永远维持目前这种状态,就像一台巨大的时钟一样,经历了一个又一个漫长的纪元,迟早有停摆的那一天。

  但这也向我们抛出了一个巨大的谜团:这台巨大的宇宙之钟最开始是怎么“上发条”的呢?还是以充满气体的盒子为例,这些气体的时间箭头的起源需要追溯回到它们的初始状态,即开始时的温差。气体一开始处于热力学不平衡状态,一边较热,一边较冷。那么,宇宙的初始条件是否与其有某些相似之处呢?

  答案或许就隐藏在宇宙大爆炸之后的余辉中。宇宙微波背景辐射至今仍然充斥着宇宙的每一个角落,并且卫星已经精确绘制了其分布情况。但与装满气体的盒子不同,宇宙背景辐射的密度变化规律明显达到了热力学平衡状态,也就是说,宇宙各处的温度均一致。

  那么,要想解释现如今的时间箭头,我们在哪里才能找到这种极其重要的原始热力学不平衡状态呢?

  引力秩序或为时间箭头之源

  目前的主流理论认为,宇宙大爆炸为宇宙的起源。根据我们目前对宇宙大爆炸的了解,早期宇宙的简洁性和秩序性堪称完美,物质在空间中的分布极其均匀一致,且各处膨胀速度均相同。这种原始的结构简洁性构成了时间箭头的来源。从星系到星团,从恒星到行星,如今我们在宇宙中观察到的所有结构都是在引力作用下、由原始的平滑状态雕琢而来的。例如,太阳就是由一团气体在自身重力作用下向内压缩、温度不断升高、直至激活核反应形成的。也许最初只是与均匀状态稍有偏离(可能仅有一百万分之几),后续孕育出大尺度结构的种子便就此埋下。从宇宙微波背景明显的温度变化规律中也能看出这一点。科学家认为,这些差异可能是宇宙大爆炸发生后一瞬间量子波动的产物。按照这一假设,引力便是宇宙秩序的本源,后续一切不可逆的热力学过程都由此展开。

  但谜团至此仍未完全解开。我们肯定会问,为何宇宙刚诞生时的引力秩序会接近完美呢?答案在一定程度上或与大爆炸的“大”字有关,也就是宇宙暴胀。该理论认为,宇宙刚刚诞生时,体积在瞬息之间迅速增大了无数倍,在此之前存在的任何不规则引力都在这一过程中被抹平了,就像气球充气后、表面的褶皱便会消失一样。根据该理论,这次短暂但剧烈的暴胀是由一股巨大的“反引力”驱动的。这股反引力既“点燃”了宇宙大爆炸,又解释了其无与伦比的简洁性和近乎完美的一致性。

  事实上,反引力在爱因斯坦的广义相对论中也占有一席之地。爱因斯坦最早于1917年提出了这一概念。按照如今宇宙学家的设想,宇宙也许曾被某种量子场所笼罩,正是这个量子场产生了一股强大的反引力,导致了宇宙初期暴胀的发生。

  虽然这个场的存在纯属猜测,但大多数物理学家和宇宙学家都认同这一基本思路,并围绕该主题展开了众多理论研究项目。我们可以忽略其中的技术性细节,因为这些不重要。在解释时间箭头时,最重要的一点是,有某种类似物理定律的过程导致了宇宙暴胀的发生,这也是所有时间箭头相关问题的根源。就像支配日常生活中所有不可逆过程的物理法则一样,主导宇宙暴胀的法则也具有时间对称性,不会区分过去与未来。要想从时间对称性法则中衍生出时间不对称性、即时间箭头的方向,唯一的方法便是限定特殊的初始条件。对宇宙暴胀而言,这就意味着宇宙刚刚诞生时、便伴随着一个处于特殊状态下的暴胀场。

  如果主宰宇宙初期的物理法则的确具有时间对称性,就意味着解释时间箭头的重担落到了最初的起点、即宇宙的终极初始条件上。从这里开始,我们便真正进入了一片未知的领域。宇宙是从一片虚无中诞生的吗?还是说在宇宙大爆炸发生之前,便已经有些东西存在了?

  假设时间是与宇宙大爆炸同时开始的,那么我们完全可以宣布,宇宙开始时的确处于一种独特的、高度有序的状态。但从另一个角度来看,如果宇宙大爆炸只是宇宙历史上的一个阶段,那么宇宙也许根本没有所谓的最初起点。这样一来,时间箭头又该作何解释呢?

  有一种理论认为,所谓“大爆炸”其实只是一次“大跳跃”,宇宙开始膨胀前,先是经历了一段时间的收缩,当时的时间箭头与如今是相反的。这样一来,大爆炸就成了一个具有高度引力秩序的对称点,在我们所处的这个纪元,时间箭头指向前方;而在宇宙大爆炸的另一端,时间箭头则指向后方。还有一种类似的猜测认为,在遥远的将来,宇宙也许会停止扩张、开始加速收缩,最终在一场“大压缩”中发展到顶峰,就像一次方向相反的大爆炸。在收缩阶段,时间箭头的方向会倒转过来。虽然目前的观测结果暂不支持宇宙会重新收缩的说法,但我们不能排除这种可能性。另外还有一种可能,也就是我们所说的多重宇宙。该理论认为,我们所在的宇宙也许只是无限宇宙中的一个。让我们打开上帝之眼、跳到这些宇宙之外看一看,有些宇宙的时间箭头方向朝内、有些朝外,且二者数量均等。不过这里的“朝内”、“朝外”是由我们自己决定的。

  这些稀奇古怪的宇宙模型都是为了体现物理法则自带的时间对称性。但也有一些科学家认为,物理学家或许太执迷于对称性了,也许物理法则有时也会打破时间对称性,只是程度较轻而已。而事实也的确如此。科学家已经在亚原子粒子中观察到了一些晦涩难解的现象:少数过程会朝相反的时间方向发生。也许这些微观效应可以为我们打开一扇窗,让我们窥探到物理学的更深处,再将其应用到宇宙的诞生之谜中。这样一来,时间箭头这个旷世之谜或许终可揭晓谜底了。

  唯有时间能告诉我们答案。(叶子)

版权声明:社科兔 发表于 2021年12月10日 上午9:56。
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