｛按：这是发表于20年前的译文，文中某些论据也许落伍了，但“时间”这个具有永恒魅力的论题依然使思考者着迷。｝

 

七种时间箭头

    爱情是一个捉摸不定的概念。假如你曾打算描述它，你或许别别扭扭地找出了“极乐”，“柔蜜”、“欣喜”、“烦恼”和“失望”这些字眼，可是仍然不满意，因为爱情意味着所有这

些，但又不能用这些词中的任何一个来概括。时间这个概念与爱情有许多共同之处，我们时常接触它，但是对它知之甚少。时间看不见，听不着，尝不出味道，也许你手头有不少时间，可是不知不觉地它就溜走了。我们都知道，除了偶尔我们感到的时间停滞不前以外，我们总觉得时光在飞逝。我们可以测量时间，可是即使我们将时钟倒拨，时间照样在前行。

    时光在流逝。如果说多数人还能就时间的某一性质取得一致看法的话，那就是，时间是向前流动的。我们看见人们的诞生与衰老。你失手摔坏了手表，但我们从未见过一大堆齿轮与棘轮自动重新装配成一只手表并跳入你的手中，除非是为了获得滑稽效果将电影片倒过来放才会出现这种情况。人类存在的根本特征之一，便是人能够区分过去与未来，知道时间是向何方流动的。无论是谁，看看另一个人儿时与成年后的照片，都能毫不犹豫地说出哪张是先拍的。事实上，我们正是通过一些无情地向一个方向——前进方向行进的过程来判断时间的。

    所有这些似乎都十分明显，不屑一提。可是要知道，物理学家们在解释为什么时间向前流动的理论方面尚未取得一致意见。另一种更好的表达方式是：为什么有时间箭头?

    这一难题在整整300年前，当牛顿发表不朽的《原理》、向世界推出力学之时便提出来了。牛顿力学使人们能计算出行星的轨道、飞行物的弹道和台球碰撞时的行为。

    牛顿理论最奇怪处之一，便是内中不含时间箭头。假设我拍一部地球顺时针绕日旋转的电影。如果我把片子倒过来放，地球就仿佛是逆时针旋转。在力学中，根本没法判断时间向哪个方向流动——哪个是未来，哪个是过去。用物理学家的术语来说，力学是时间可逆的。

    若有人说力学是时间可逆的，他就是在不明言地断定，力学不包含任何缺陷，或者用术语来说，力学是决定论的。在牛顿力学中，未来像过去一样是被准确确定了的。

    理性时代的哲学家非常欢迎牛顿力学，因为它把宇宙变成了一个巨大的时钟。上帝被从宇宙图景中排除了出去——只需要他启动时钟，然后他就可以休息了。每一继起的事件都被准确确定了。根本不存在什么自由意志。既然无法区分过去与未来，因果概念也就消失了。

    许多理论都是以牛顿力学为基础的：麦克斯韦的电磁理论、爱因斯坦的相对论、量子力学。所有这些理论的共同之点是：它们都不含有时间箭头，都是时间可逆的。

    物理学理论不包含时间箭头，但是我们在自己所做的几乎一切事情中都体验着时间箭头，如何使这二者一致起来呢?这是物理学最深刻的问题之一。一次，我逼一位诺贝尔奖金获得者解答这个问题，他说：“这是那些非常深刻的问题中的一个，我努力不去想它以回避它。不过这只是我们私下里说说。”

    连爱因斯坦也在时间之谜面前退却了。在他最要好的朋友米切尔·贝索逝世后，爱因斯坦给贝索写了一封后来很著名的信，其中写道：“米切尔先我一步离开了这个奇异的世界。这无足轻重。对我们这些信念坚定的物理学家来说，过去、现在与未来之间的区分只是一种假象，尽管这种假象是持久的。”

    有一位物理学家曾苦思冥想过时间问题，他便是牛津大学的罗杰·彭罗斯，此人是世界最杰出的宇宙学家之一。原先攻读数学专业的彭罗斯对黑洞理论做出过重要贡献，在过去十年里，他又率领其数学研究小组发展纽结理论(纽结是一种数学构造物，有人打算将它作为时空的积木)。

    在思索过程中，彭罗斯归纳了七种看来在性质上是相互独立的时间箭头，七种箭头都指向前方，它们都无法在物理学上得到解释。

    第一种，他称为心理时间。心理时间指人们关于事件无情地向前发展的感觉。用彭罗斯的话说，“潜在可能变成了现实”。正如《爱丽丝漫游奇境记》中的白衣公主对爱丽丝所说的；“只能回想过去事物的记忆是很糟糕的记忆。”她说到了点子上：我们是由遵从牛顿与爱因斯坦的时间可逆定律的原子与分子组成的，那就没有明显的理由表明，我们为什么不可以像记忆过去一样“记忆”未来，既然过去与未来都是同样被确定了的，都是恒常的。

    第二种时间箭头较为玄妙难解，它涉及电磁辐射行为。有些老电影的片头是向空间发射无线电波的天线的画面，如果把它们倒过来放映，电波就会显得是从四面八方向天线汇聚。确实，从来没人见过无线电波如此行事。大自然仿佛是将向外发射的情形与向内汇聚的情形加以区分的。后一种情形不存在这一事实便产生了第二种时间箭头。

    谈到第三种时间箭头，我们就要在奥秘程度渐增的梯级上继续攀登，进入量子力学领域。量子力学的一个特别恼人的方面，是它坚持认为，一个粒子的性质(自旋，能态等等)在被实际测量之前仅仅是概率性的存在。例如，用量子力学的观点看抛硬币，就得说，当硬币在空中翻滚时，50％的可能是正面朝上，50％的可能是反面朝上，即使在硬币落回你的手心之后也是如此，只是在你摊开手掌观看结果之时，它才是要么正面朝上，要么反面朝

上。

    量子力学并不知道，正面朝上与反面朝上各一半机会的“叠加”是如何突然转变为彻底正面朝上或彻底反面朝上的结果的。观察的瞬间到底发生了什么，这是物理学中辩论得最长久的问题之一。在那一瞬间之前，量子力学方程是决定论的和时间可逆的。但是，在那关键的一瞬间，方程不再成立，这一过程看来不能再逆转。这样，尽管理论失败了，大自然却又一次提供了一个单行道的例子。

    第四种时间箭头产生于中性K介子衰变，这是最隐微、最不可思议的自然现象之一。1964年以前，人们认为，不论时间向前流还是向后流，粒子衰变速率都是一样的。但在1964年中，这一错误认识与其他许多错误认识一起破灭了，因为瓦尔·费奇和詹姆士．克洛宁  (二人当时都在普林斯顿大学)证明，在一个时间逆转的世界中，K介子的衰变速率会略有不同。

    大自然在这里表现得非常精确。只有在中性K介子的情形中，她才揭示出第四种时间箭头。铀、钍、氡等等的衰变速率都与时间的方向无关。K介子的行为会不会只是偶然事件，是上帝构造宇宙时的一处小小的接合缺陷?物理学家们不喜欢偶然事件。正如比喻大师E．C·G·苏达申所说：“它像牡蛎体内的一粒沙子，这粒沙子很小很小，可是你不能无视它的存在。”

    对于这四种时间箭头，多数物理学家不会有异议，但是另外三种箭头肯定是莫衷一是的。

    第五种时间箭头来自黑洞与白洞的区分。彭罗斯在1970年的一次会议上无意中帮助了白洞这一说法的采用。那次，人们请他就“黑洞与白洞”问题发言。他不知道白洞是否存在，就开玩笑地将黑洞时空图的幻灯片倒过来放。没想到这一想法居然很有吸引力：彭罗斯将时空图颠倒过来，就逆转了时间。多数宇宙学家现在仍认为，白洞就是经历了时间反演的黑洞。

    如果宇宙不区分向前的时间与向后的时间，那我们就应当发现同黑洞一样多的白洞。可是，尽管多数天文学家相信黑洞的存在，而且已经探测到几个黑洞，但迄今为止还无人观测到一个白洞。另外，多数物理学家认为黑洞概念很漂亮，很简单，但他们认为白洞是个令人头疼、难以理解的东西，尤其是由于奇点问

题。

    黑洞的奇点是这样一个点，所有坍缩物质由此落入，此处的物质密度无限大，已知的物理学定律在此完全不适用。既然光逃不脱黑洞，黑洞的奇点是外界看不见的。可是，包括光在内的一切东西都从白洞里外逸，因此，白洞的奇点连最漫不经心的太空游客也能看见。由于在奇点处物理定律已乱了套，那么，该点的时间既可能向前流，又可能向后流。简而言之，一切都是可能的。彭罗斯觉得这种行为太讲不通，就提出了一种我们可称之为黑洞功率假说的理论，它认为白洞不可能存在。如果这个假说是正确的，那大自然就提供了又一个时间箭头：她允许黑洞存在，但是不允许黑洞的时间反演对应物存在。

    第六种时间箭头涉及宇宙的膨胀。除了或许少数神创论者，几乎所有的人如今都相信，宇宙正在冷却，各星系正在相互远离，其相互飞离而去的速度有时接近光速。而在一个时间逆转的宇宙中，各星系会相撞，宇宙会不断升温，最后我们都将被铺天盖地的辐射烧焦。

    许多宇宙学家，尤其是得克萨斯大学的约翰·A·惠勒都支持这样一种观点：有朝一日，宇宙将停止膨胀，再次转为坍缩，并在大湮灭中结束其寿命。如果在膨胀宇宙中时间向前流动，在坍缩宇宙中时间向后流动，那么在开始再次坍缩的瞬间，时间或许同时向两个方向流动。

    困惑不解吗?好得很。干脆加深一下你的困惑，再请你想象一下那个宇宙中的生活会是什么样子。在我们看来，那个宇宙中的超人仿佛是倒着飞行，长成的树木会缩回去，核武库会减少，但是对于居住在这个时间逆转的世界中的所谓反演人来说，生活仍是同我们这个宇宙一样向前发展的。他们的时间箭头的指向毕竟与我们的相反，因此在他们看来，宇宙仿佛还是在膨胀，超人的行为很正常，树木照样生长。可是，由于他们的过去便是我们的未来，他们的未来便是我们的过去，因此我们与这些反演朋友之间的沟通肯定是不可能的。如果他们放映一部山脉形成的电影，我们看见的却是山脉侵蚀：我们与他们面对同样的证据会得出矛盾的结论来，正如美国与苏联的军备控制谈判者一样。这种种不可能的情景使彭罗斯和多数其他宇宙学家拒斥“在坍缩宇宙中时间倒流”的看法。

    七是个神奇的数字。那么，第七种时间箭头一直是最神秘莫测、最难以理解的，便也顺理成章了。这就是宇宙熵增问题。

    你从未见过摔碎的表自己恢复原状，也从未见过死者从坟墓中站起来，因为热力学第二定律禁止这些情景出现。这就提供了第七种时间箭头。在宇宙中，熵也是倾向于达到极大，对宇宙学家来说，这意味着熵或许是从一个极小量开始的。彭罗斯认为，大爆炸本身是一个非常特殊的事件——它非常平稳，其熵值低到不能再低的地步。只有这样，现在熵才可能处于增加之中。但是这种解释产生了一个问题：为什么宇宙起始于低熵态呢?

    这个难题的症结很容易看出来。拿一升汽油来，把它烧掉。根据热力学，熵增是不可逆的――第七种时间箭头意味着，无法将时钟倒回，重新构成一升汽油。但是，请你通过显微镜观察一下火焰。所有的分子都严格遵从牛顿定律，因此，是不受时间箭头支配的。微观事件都是时间可逆的，但是宏观事件——燃烧——却不可逆。物现学的两大支柱，热力学与力学，建筑在完全不相容的原理之上。物理学分成了两个领域——可逆过程与不可逆过程。尽管曾有许多人都曾做过努力，但是迄今为止还没有人能成功地修补这一裂痕。

    继路德维希·玻尔兹曼之后，如今许多重要的物理学家都将熵看作纯粹的统计性的现象。他们认为，熵增的产生只是由于用概率方法来预测未来，而不是由于力学方程中任何固有的时间箭头。

    在反对熵的统计解释的科学家当中，有一位突出人物是俄国出生的比利时物理学家普利高津，他因在非平衡态热力学方面的工作而于1977年获得诺贝尔奖。在转向物理学之前，他曾专攻钢琴专业。这一段经历使他坚信，时间的方向性非常重要。他说，“将一支曲子倒过来弹，就成另一只曲子了”。在普利高津看来，大自然的不可逆性是如此普遍，以致必须把它置于一个非常基本的层次上。

    普利高津说，存在一些“本征随机系统”，无论涉及的粒子数目多么小，它们都呈熵增趋势。这一理论植根于对混沌现象的数学研究。一个混沌系统也许仅由三个粒子组成，但是它的行为非常复杂，以至系统很快就成为不可预测的了。

    普利高津认为，“我们生活在一个非常有趣的历史关头。我们再也不能说，不可逆性是近似或者说是知识不足的结果，我们现在就必须确定，是什么样的微观定律导致了不可逆性。”但是，他的观点往往不被多数物理学家所接受。宇宙学家尤其爱嘲笑普利高津的路子，经常听见他们大嚷：  “胡说八道!”可是仔细一问，便发现多数宇宙学家并未花什么时间去了解普利高津的理论。也许，反过来的情形也是一样。

    因此，当人们在宇宙学和热力学这两个世界间旅行时，就听见两种语言。宇宙学家认为，熵是一个统计量，它的增加是由于知识不足，只要假定宇宙起始于一个尽可能低的熵态，就可以解释永不止歇的熵增现象。普利高津认为，“我们现在就必须确定，是什么样的微观定律导致了不可逆性”，与此形成鲜明对照的是，英国纽卡斯尔大学的宇宙学家保尔．戴维斯说：“值得注意的是，时间不对称性[即方向性]的所有重要方面都可以追溯到宇宙的创生或终结之时。”

    可是，无论是热力学家还是宇宙学家，都未能令人满意地解释七种时间箭头。很可能，好几种(如果不说全部的话)时间箭头都是以我们尚未认识清楚的方式相互联系的。有朝一日，可逆与不可逆这两个领域也许会合为一体，牛顿与玻尔兹曼的信奉者之间的裂痕也许能弥合，时间之谜也许会解开。这一天也许为时尚远，但是我们不要抛弃希望。来日方长。

(武夷山编译自美国《Discover》，发表于《国外科技动态》1988年第6期)

 

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