一种不可逆的台球游戏:普通的台球桌,桌上的球不会因为摩擦而损失
能量,因此会永远运动下去;但如果撞到某条特定边线,就会变成完全
静止,永远停在那里。这个系统的状态空间永远不会变化,总是包含桌
上的球所有可能的位置和动量。熵也是完全由传统方式定义的,即某宏
观特征下状态数量的对数。但变化过程不可逆:给定粘在特定边线上的
任意一球,我们无法知道这枚台球已经在那儿多久了。这个系统的熵也
视第二定律为无物,逍遥法外。渐渐地,随着粘在台边的球越来越多,
系统在状态空间占据的比例越来越小,系统的熵也逐渐降低,但并没有
任何来自外界的干涉。
我们所知道的物理定律——量子力学中波函数坍缩的重要问题暂且
不论——似乎都是可逆的。但我们并不了解物理学的终极定律,只有一
些很好的近似而已。或许物理学定律的真面目其实从根本上讲就是不可
逆的,由此也就能解释时间之箭了:可以想象这样的情形吗?
对这种情形的真实含义可能会有些误解,我们得先理理清楚。“解
释”时间之箭的意思是,提出一组物理学定律以及宇宙的“初始”状态,
(不用微调)就能自然而然地看到熵随着时间以我们在身边观察到的形
式发生变化。具体来讲,如果我们就假设初始条件的熵很低,也没有什
么需要解释的——根据玻尔兹曼的理论,熵就是倾向于增加,如此而
已。这样我们就用不着假设物理学定律不可逆了,可逆的就已经能愉快
胜任。但问题在于,这么个低熵边界条件似乎并不自然。
因此,如果我们想援引不可逆的基本定律以自然方式来解释时间之
箭,就得假设一个高熵条件——宇宙的“普通”状态——并假设在物理学
定律作用下,这个状态的熵自然会减少。这样才算真正解释了时间之
箭。看起来这组设定似乎让时间之箭反向了——预测熵会下降而不是上
升。但时间之箭的实质只是,熵的变化方向始终一致。只要这点始终成
立,生活在这样一个世界中的观测者就总是会“记得”熵较低的时间方
向;同样,因果关系也总是会将因放在熵较低的那一头,因为那头的选
择更少。也就是说,这些观测者会把高熵那头的时间叫作“未来”,把低
熵那头叫作“过去”,即便这个世界的物理学基本定律只能从未来精确重
构过去,反过来则做不到。
这么个宇宙肯定可以想象。问题只是,似乎这个宇宙跟我们的宇宙
大相径庭。
好好想想,如果要让这种情景运转起来,必须有哪些条件。无论什
么原因,反正宇宙会处于随机选定的高熵状态,看起来就像是空空如也
的德西特空间。现在我们所假设的不可逆的物理定律将作用于这个状
态,让熵降低。结果——如果这些真有机会发生的话——应该就是我们
这个宇宙的真实历史,只不过跟我们的传统理解相比,时间上方向相
反。也就是说,从一开始的虚空中,突然有一些光子奇迹般地汇聚在一
点形成白洞。通过吸收更多光子(霍金辐射的反演),这个白洞的质量
不断增加。渐渐地,更多白洞远远出现了,在空间中大致均匀地排列
着。这些白洞全都开始向宇宙中喷出气体,气体则内爆形成恒星,恒星
再慢慢旋转着离开白洞形成星系。恒星从外部世界吸收了更多辐射,并
用这些能量将重元素打碎,变成轻元素。随着星系继续彼此靠近,空间
也极速收缩,恒星则消散为均匀分布的气体。随着物质和辐射在时间即
将到达终点时形成极为均一的分布,宇宙最终坍缩为大挤压。
这就是我们可观测宇宙的真实历史,只不过时间是反着来的罢了。
就我们当前理解的物理学定律来说这也是完美的解决方案:我们只需要
从接近大爆炸的某状态出发,令其在时间中向前演化为最终会成为的任
意高熵微观态,然后再从这个状态时间反演。但我们现在考虑的假设极
为不同,现在这个假设要求这种形式的演化对空无一物的德西特空间的
几乎所有高熵状态都会发生。对有的物理学定律来说,这要求可高了。
假设熵会因为不可逆的物理学定律而下降是一回事,但要完整假设熵刚
好以让我们这个宇宙时间反演的形式来下降就是另一回事了。
这种情景我们会觉得不舒服,而这不舒服是怎么来的,还可以说得
更明确一点。要经历时间之箭,我们不必去想整个宇宙。时间之箭近在
眼前,就在我们厨房里。把冰块投到一杯温水中,冰块会融化,温水也
会降温,最终达到均匀温度。不可逆假设则宣称,从一杯温度均匀的冷
水开始,可以用物理学深层定律来解释这一现象。也就是说,这样的物
理定律作用在水分子上,会把分子分成冰块放在温水中的形式,刚好就
是我们预期从加了冰块的温水起步会看到的景象,只不过时间上反向。
这可是滑天下之大稽。就说吧:它怎么知道的呢?同样一杯冷水,
有的在五分钟前是温水加冰块,有的五分钟前也还是一杯冷水。尽管对
应每个低熵宏观态的微观态相对要少一些,但是不同低熵宏观态的数量
可比高熵宏观态的要多得多。(更规范的说法是,低熵态比高熵态包含
更多信息。)