望向未来 在图中, 罗马神话的双面神凝视着宇宙中两个时间的方向。一个新的模拟结果表明引力会让一个有序的宇宙沿两个不同的时间方向演化。 

对人类而言，时间有着明确的方向，我们脑海里记着的总是过去而不是未来。我们渐渐变老而不是越活越年轻。然而物理学定律却并不禁止时间反向运动。决定火箭加速度或桌球动量的方程对时间倒流也一样成立。

在过去大约140年里，科学家已经试着根据大自然对无序性的偏爱来排除时间倒流。亦即，大自然由简单变得复杂，这一单向的过程被许多物理学家用来定义时间的方向。可是，如果现在的大自然倾向于变得杂乱无序，那么它应该一直都是如此。我们得弄明白为什么宇宙的起始如此有序——从而允许无序性不断增加以及时间向前运动——按理说宇宙在早期就应该已经很杂乱无序才对。尽管对这个问题有很多解释，物理学家却并没能得到统一的令人满意的理论。

最近一篇学术论文对这个问题给出了新解释。文章作者提出引力是解决问题的秘诀。通过对有引力相互作用粒子的简单模拟得出结论：总能够在某个时间点自然而然地产生出一个有序的宇宙。从这个点开始，宇宙在相反的两个时间方向上分裂为两支。在每一支里，时间的流动都指向无序性增加的方向，这本质上诞生出分享着同一个过去的两个未来。“这是所有用来解释时间流向的基础的想法中唯一一个清楚、简单的理论”，在《物理学评论快报》（Physical Review Letters）发表这一研究成果的作者之一，物理学家朱利安·巴伯如是说。

大自然偏爱无序 以不同颜色排列的彩球（图中上半部分）描绘出一个有序的底熵的状态。但在彩球所有可能的排列中，最可能出现的是混乱无序的高熵的状态（图中下半部分）

混合的彩球

没有人知道为什么时间不会倒流。但绝大多数科学家已经倾向于认为这问题的答案来自热力学第二定律，该定律描述了大自然对杂乱无章的喜好。考虑一个装着100个彩球的罐子，其中有50个红色彩球和50个蓝色彩球。一个临时工接下来要对罐子里彩球每一种可能的分布方式进行拍照，并把照片拼起来。尽管每一张照片都刻画出彩球的一个不同分布方式，但绝大多数照片看起来会非常相似：红色蓝色混成一团。只有极少数照片是红色在一边蓝色在另一边的。随机挑出来的一张照片将更可能展示出无序的状态，而不是有序的状态。

十九世纪的物理学家通过思考蒸汽发动机中热量的流动而认识了这种大自然对无序的偏好性。当两个装有气体的容器相互连通，温度较高的容器里运动较快的分子（想象为蓝色彩球）倾向于与温度较低的容器里运动较慢的分子（想象为红色彩球）混合在一起。由于最可能出现的状态是冷热混合后的无序状态，最终这两个组合在一起的容器中的气体会处于一个平衡温度下。

在十九世纪中期，物理学家引入了熵的概念来量化热传递系统的无序性。奥地利物理学家路德维格·玻尔兹曼通过将熵与产生一个可分辨的宏观状态所对应的微观组成的分布方式的数目相联系，从而深化了熵的概念。对于红色和蓝色彩球完全分开的情况，由于只有极少数的彩球分布方式可以实现这种色彩样式，从而具有很低的熵。类似地，快速的和迟缓的分子则会有很多种组合方式来产生处在平衡温度的气体，因而具有最高的熵。实现很高的熵的可能组合分布方式比实现很低的熵的可能组合分布方式多得多这一事实为热力学第二定律提供了基础：一个闭合系统的熵总是倾向于增加，直到达到平衡，无序性最大的状态。

热力学第二定律定义了时间的热力学方向。它表明时间的流向从过去到现在再到未来，是因为宇宙是从一个有序的低熵状态向一个无序的高熵状态演化的。可是如果熵从138亿年前的大爆炸开始就一直在增加，那么宇宙初始的熵一定足够低到直至今天仍不能接近平衡的程度。但正如装着彩球的罐子所揭示的，让熵处于低状态的分布方式并不多。假如你是闭着眼随机挑出一个宇宙初始熵值的话，你基本上肯定能挑出平衡态。一个处于平衡态的宇宙就像那个气体分子完全混合的容器：不变化，没有热的流动，没有多余的有序来转变为无序。这并不是科学家观察宇宙时所看到的，过去和现在都不是。

这个早期宇宙的熵的窘境烦恼着很多物理学家。他们想证明这个宇宙不是异常走运地突变演化成现在的状况。可使用熵的解释来迎合大爆炸却又不靠谱。回到大爆炸时期，物质和能量都被束缚在一个极热，密度极大的球体内。某些物理学家把这当做一个有序的，底熵的状态；另一些则说它像是一个充满了处在平衡态气体分子的容器。绝大多数物理学家虽然同意热力学第二定律对解释时间的方向来说至关重要，但他们仍希望能发展出一个更好的理论来解释时间的流向。

双面神点

巴伯(Barbour)就是他们中的一员。就像低熵态一样，他也是个稀有的物理学家：一个自由职业者。在1968年从德国科隆大学拿到博士学位后，他退出了学术圈从而可以将精力集中于研究基础物理学而不是拿到学校的固定教职。他生活在一个很小的英国教区（有285个居民），那里乡村的风光和百年的旧宅营造出一个时间仿佛自启蒙运动时代就已停滞不前的幻象。

巴伯对时间流向问题的研究开始于数年前。当时他正在思考N体问题，这个问题需要确定在引力相互作用下的多个物体的运动。他想知道引力在影响物体运动的同时是否也会影响时间的运动。巴伯和加拿大新不伦瑞克大学的蒂姆·科斯洛夫斯基，加拿大周界理论物理研究所的弗拉维奥·莫卡提一起合作研究这个问题。他们做了一个宇宙模型——一个排除掉所有繁杂细节的，用来检验复杂的宇宙如何运作的模拟装置。这个小宇宙由1000个粒子构成，在空间上是无限的，并且粒子之间只通过牛顿引力相互作用。

来来回回

在这个模拟的宇宙中，引力将粒子聚集在一起（中图）。之后这些粒子散开并结成块（左图和右图）。这张图展示出复杂性在相反的两个时间方向上都会增加。

在使用不同数目的粒子进行数次模拟后，巴伯的团队注意到在每次模拟中的某个瞬间，所有的粒子都会聚集成一个均匀的圆球，这是复杂性最小的时刻。之后系统的复杂性就开始增加。从复杂性最小的这个瞬间开始随着时间沿着任何一个方向流逝，粒子凝结成的块数和它们之间的距离都会增加。

巴伯的团队马上把这种情况和我们的宇宙以及时间的方向联系起来。在一个瞬间，宇宙模型的1000个粒子聚集成一个均匀的圆球，代表着大爆炸时的情况。从那开始这个圆球膨胀成一个稀疏的，复杂的排布方式，更让人联想到今天星罗棋布的宇宙。这种膨胀，从简单到复杂，在时间的两个方向上都会发生。这意味着演化形成我们今天见到的宇宙的所有的物质和能量都可以在时间的另一个方向上独立演化。我们所熟知的这个宇宙可能只是在同一个空间但不同时间方向上存在的一对宇宙中的一个。

他们因此断定，生活在任何一个宇宙中的观测者都会得出时间，从大爆炸到现在，是沿着复杂性增加的方向流动的结论。处在时间轴一侧的观测者的时间方向对时间轴另一侧的观测者来说就是反向的，不过这只是理论上的：一个观测者永远都不可能和时间轴另一侧对应的观测者对比数据，因为那要求他反向穿越时间。

巴伯团队的理论揭示出玻尔兹曼140年前所不能揭示的：时间的对称性可以从对时间变换保持对称的物理学定律中很自然的产生。他们从数学上证明了如果真实的宇宙的行为和模拟的一致，那么一个由引力驱动的时间方向便会随之产生。这种必然性可以解释为什么在宇宙早期熵是如此之低。大爆炸就代表着当引力起作用时总会出现的复杂性最小的那个时刻，这个关键的时刻被称为双面神点（the Janus point），以罗马传说中拥有两张面孔的神贾纳斯来命名——贾纳斯的两张面孔，一张望向过去，一张望向未来。

目前巴伯的团队正致力于确认在由广义相对论所支配的宇宙中的粒子的行为也和模拟的相一致。如果他的理论站得住脚，就会证明一个有趣的结论：宇宙是永恒的，时间无始无终。大爆炸是指向无序增加的两个时间方向的共同起点。我们所熟知的这个宇宙，由这两个时间方向中的一个所引导，已经演化出星球，银河以及生命；而双面神点另一边的宇宙，虽然无法被我们探测到，却拥有一样的初始状态，可能和我们的宇宙很相像。

生命体为了生存而进行的普遍竞争，不是为了食物的竞争……不是为了能量的竞争……而是为了熵的竞争，这在能量从温暖的太阳到冰冷的地球传输的过程中变成可能。—路德维格·玻尔兹曼，维也纳大学

巴伯的发现同样也预示着八成会让玻尔兹曼在泉下辗转反侧的一种可能性。如果引力是时间向前流逝的关键要素，那么也许一种将引力包含进来的新的度量可以取代由蒸汽发动机升华出的熵的概念。这并不是说熵毫无用处或者热力学第二定律是错的，但巴伯对熵是否能够有效的应用于描述宇宙整体抱有疑问。

作为熵的替代品，巴伯的团队在即将发表的论文中，提出了称之为“负熵（entaxy）”的度量。这个词在希腊语中是“向秩序前进”的意思，负熵度量的是由引力产生的有序的程度。它本质上与熵相反。根据他们的模拟，负熵的最大值出现在双面神点，此时引力将物质和能量都聚集成有序的一团。当宇宙从这个有序的点向两个方向演化时，负熵随着物质团块的扩散变小而减小。

巴伯的团队也许会想出一个包含广义相对论和负熵的更完备的理论。也有可能这些模拟对真正宇宙的时间而言并不意味着什么。不管这些研究会走向何方，巴伯对他的方案的简洁性都感到很满意。如果对简单的一组粒子的行为进行观测，提供了理解时间方向的第一手重要线索，结果可以一劳永逸的解决所有的问题，也是很不错的。

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