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第14章 无序度或熵随着时间增加是一个所谓的时间箭头的例子

样地膨胀(但是现在人们不必假定宇宙是从某一类正确的状态产生出来)。宇宙会膨胀到一个非常大的尺度,并最终重新坍缩成为在实时间里看起来像是奇点的一个东西。这样,在某种意义上说,即使我们躲开黑洞,仍然是注定要毁灭的。只有当我们按照虚时间来描绘宇宙时才不会有奇点。

如果宇宙确实处在这样的一个量子态里,在虚时间里宇宙就没有奇点。所以,我近期的工作似乎完全使我早期研究奇点的工作成果付之东流。但是正如上面所指出的,奇点定理的真正重要性在于,它们指出引力场必然会强到不能无视量子引力效应的程度。

这接着导致也许在虚时间里宇宙的尺度有限但没有边界或奇点的观念。然而,当人们回到我们生活于其中的实时间,那儿仍会出现奇点。陷进黑洞那位可怜的航天员的结局仍然是极可悲的;只有当他在虚时间里生活,才不会遭遇到奇点。

上述这些也许暗示所谓的虚时间是真正的实时间,而我们叫做实时间的东西恰恰是子虚乌有的空想的产物。在实时间中,宇宙的开端和终结都是奇点。这奇点构成了科学定律在那儿不成立的空间—时间边界。但是,在虚时间里不存在奇点或边界。所以,很可能我们称之为虚时间的才真正是更基本的观念,而我们称作实时间的反而是我们臆造的,它有助于我们描述宇宙的模样。但是,按照我在第一章所描述的方法,科学理论仅仅是我们用以描述自己所观察的数学模型,它只存在于我们的头脑中。所以去问诸如这样的问题是毫无意义的:“实”的或“虚”的时间,哪一个是实在的?这仅仅是哪一个描述更为有用的问题。

人们还可以利用对历史求和以及无边界假设去发现宇宙的哪些性质可能发生。例如,人们可以计算,当宇宙具有现在密度的某一时刻,在所有方向上以几乎同等速率膨胀的概率。在迄今已被考察的简化的模型中,发现这个概率是高的;也就是,无边界假设导致一个预言,即宇宙现在在每一方向的膨胀率几乎相同是极其可能的。这与微波背景辐射的观测相一致,它指出在任何方向上具有几乎完全同样的强度。如果宇宙在某些方向比其他方向膨胀得更快,在那些方向辐射的强度就会被一个附加的红移所减小。

人们正在研究无边界条件的进一步预言。一个特别有趣的问题是,早期宇宙中物质密度对其平均值小幅度的偏离,这些偏离首先引起星系,然后是恒星,最后是我们自身的形成。测不准原理意味着,早期宇宙不可能是完全均匀的,因为粒子的位置和速度必定有一些不确定性或起伏。利用无边界条件,我们发现,宇宙事实上必须是从仅仅由测不准原理允许的最小的可能的非均匀性开始的。然后,正如在暴涨模型中预言的一样,宇宙经历了一个快速膨胀时期。在这个期间,开初的非均匀性被放大到足以解释在我们周围观察到的结构的起源。在一个各处物质密度稍有变化的膨胀宇宙中,引力使得较紧密区域的膨胀减慢,并使之开始收缩。这就导致星系、恒星和最终甚至像我们自己这样微不足道的生物的形成。因而,我们在宇宙中看到的所有复杂的结构,可由宇宙无边界条件和量子力学中的测不准原理给予解释。

空间和时间可以形成一个没有边界的闭曲面的思想,对于上帝在宇宙事务中的作用还有一个深远的含义。随着科学理论在描述事件的成功,大部分人进而相信上帝允许宇宙按照一套定律来演化,而不介入其间促使宇宙触犯这些定律。然而,定律并没有告诉我们,宇宙的太初应像什么样子——它依然要靠上帝卷紧发条,并选择如何去启动它。

只要宇宙有一个开端,我们就可以设想存在一个造物主。但是,如果宇宙确实是完全自足的、没有边界或边缘,它就既没有开端也没有终结——它就是存在。那么,还会有造物主存身之处吗?

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第九章时间箭头

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我们在前几章中看到了,长期以来人们关于时间性质的观点是如何变化的。直到本世纪初,人们还相信绝对时间。也就是说,每一事件可由一个称为“时间”的数以唯一的方式来标记,所有好的钟在测量两个事件之间的时间间隔上都是一致的。然而,对于任何正在运动的观察者光速总是一样的这一发现,导致了相对论;而在相对论中,人们必须抛弃存在一个唯一的绝对时间的观念。代之以每个观察者携带的钟所记录的他自己的时间测量——不同观察者携带的钟不必要读数一样。这样,对于进行测量的观察者而言,时间变成一个更主观的概念。

当人们试图统一引力和量子力学时,必须引入“虚”时间的概念。虚时间是不能和空间方向区分的。如果一个人能往北走,他就能转过头并朝南走;同样的,如果一个人能在虚时间里向前走,他应该能够转过来并往后走。这表明在虚时间里,往前和往后之间不可能有重要的差别。另一方面,当人们考察“实”时间时,正如众所周知的,在前进和后退方向存在有非常巨大的差别。这过去和将来之间的差别从何而来?为何我们记住过去而不是将来?

科学定律并不区别过去和将来。更精确地讲,正如前面所解释的,科学定律在称作c、p和t的联合作用(或对称)下不变。(c是指将反粒子来替代粒子;p的意思是取镜象,这样左和右就互相交换了;t是指颠倒所有粒子的运动方向,也就是使运动倒退回去。)在所有正常情形下,制约物体行为的科学定律在cp联合对称下不变。换言之,对于其他行星上的居民,若他们是我们的镜像并且由反物质而不是物质构成,则生活会刚好是同样的。

如果科学定律在cp联合对称以及cpt联合对称下都不变,它们也必须在单独的t对称下不变。然而,在日常生活的实时间中,前进和后退的方向之间还是有一个大的差异。

想像一杯水从桌子上滑落到地板上被打碎。如果你将其录像,你可以容易地辨别出它是向前进还是向后退。如果将其倒回来,你会看到碎片忽然集中到一起离开地板,并跳回到桌子上形成一个完整的杯子。你可断定录像是在倒放,因为这种行为在日常生活中从未见过。如果这样的事发生,陶瓷业将无生意可做。

为何我们从未看到碎杯子集合起来,离开地面并跳回到桌子上,通常的解释是这违背了热力学第二定律所表述的在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加。换言之,它是穆菲定律的一种形式:事情总是趋向于越变越糟:桌面上一个完整的杯子是一个高度有序的状态,而地板上破碎的杯子是一个无序的状态。人们很容易从早先桌子上的杯子变成后来地面上的碎杯子,而不是相反。

无序度或熵随着时间增加是一个所谓的时间箭头的例子。时间箭头将过去和将来区别开来,使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头:第一个,是热力学时间箭头,即是在这个时间方向上无序度或熵增加;然后是心理学时间箭头,这就是我们感觉时间流逝的方向,在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来;最后,是宇宙学时间箭头,在这个方向上宇宙在膨胀,而不是收缩。

我将在这一章论断,宇宙的无边界条件和弱人择原理一起能解释为何所有的三个箭头指向同一方向。此外,为何必须存在一个定义得很好的时间箭头。我将论证心理学箭头是由热力学箭头所决定,并且这两种箭头必须总是指向相同的方向。如果人们假定宇宙的无边界条件,我们将看到必然会有定义得很好的热力学和宇宙学时间箭头。但对于宇宙的整个历史来说,它们并不总是指向同一方向。然而,我将指出,只有当它们指向一致时,对于能够发问为何无序度在宇宙膨胀的时间方向上增加的智力生命的发展,才有合适的条件。

首先,我要讨论热力学时间箭头。总存在着比有序状态更多得多的无序状态的这一事实,是使热力学第二定律存在的原因。譬如,考虑一盒拼板玩具,存在一个并且只有一个使这些小纸片拼成一幅完整图画的排列。另一方面,存在巨大数量的排列,这时小纸片是无序的,不能拼成一幅画。

假设一个系统从这少数的有序状态之中的一个出发。随着时间流逝,这个系统将按照科学定律演化,而且它的状态将改变。到后来,因为存在着更多的无序状态,它处于无序状态的可能性比处于有序状态的可能性更大。这样,如果一个系统服从一个高度有序的初始条件,无序度会随着时间的增加而增大。

假定拼板玩具盒的纸片从能排成一幅图画的有序组合开始,如果你摇动这盒子,这些纸片将会采用其他组合,这可能是一个不能形成一幅合适图画的无序的组合,就是因为存在如此之多得多的无序的组合。有一些纸片团仍可能形成部份图画,但是你越摇动盒子,这些团就越可能被分开,这些纸片将处于完全混乱的状态,在这种状态下它们不能形成任何种类的图画。这样,如果纸片从一个高度有序的状态的初始条件出发,纸片的无序度将可能随时间而增加。

然而,假定上帝决定不管宇宙从何状态开始,它都必须结束于一个高度有序的状态,则在早期这宇宙有可能处于无序的状态。这意味着无序度将随时间而减小。你将会看到破碎的杯子集合起来并跳回到桌子上。然而,任何观察杯子的人都生活在无序度随时间减小的宇宙中,我将论断这样的人会有一个倒溯的心理学时间箭头。这就是说,他们会记住将来的事件,而不是过去的事件。当杯子被打碎时,他们会记住它在桌子上的情形;但是当它是在桌子上时,他们不会记住它在地面上的情景。

由于我们不知道大脑工作的细节,所以讨论人类的记忆是相当困难的。然而,我们确实知道计算机的记忆器是如何工作的。所以,我将讨论计算机的心理学时间箭头。我认为,假定计算机和人类有相同的箭头是合理的。如果不是这样,人们可能因为拥有一台记住明年价格的计算机而使股票交易所垮台。

大体来说,计算机的记忆器是一个包含可存在于两种状态中的任一种状态的元件的设备,算盘是一个简单的例子。其最简单的形式是由许多铁条组成;每一根铁条上有一念珠,此念珠可呆在两个位置之中的一个。在计算机记忆器进行存储之前,其记忆器处于无序态,念珠等几率地处于两个可能的状态中。(算盘珠杂乱无章地散布在算盘的铁条上)。在记忆器和所要记忆的系统相互作用后,根据系统的状态,它肯定处于这种或那种状态(每个算盘珠将位于铁条的左边或右边。)这样,记忆器就从无序态转变成有序态。然而,为了保证记忆器处于正确的状态,需要使用一定的能量(例如,移动算盘珠或给计算机接通电源)。这能量以热的形式耗散了,从而增加了宇宙的无序度的量。

人们可以证明,这个无序度增量总比记忆器本身有序度的增量大。这样,由计算机冷却风扇排出的热量表明计算机将一个项目记录在它的记忆器中时,宇宙的无序度的总量仍然增加。计算机记忆过去的时间方向和无序度增加的方向是一致的。

所以,我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头,是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。正像一个计算机,我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。这几乎使热力学定律变成为无聊的东西。无序度随时间的增加乃是因为我们是在无序度增加的方向上测量时间。拿这一点来打赌,准保你会赢。

但是究竟为何必须存在热力学时间箭头?或换句话说,在我们称之为过去时间的一端,为何宇宙处于高度有序的状态?为何它不在所有时间里处于完全无序的状态?毕竟这似乎更为可能。并且为何无序度增加的时间方向和宇宙膨胀的方向相同?

在经典广义相对论中,因为所有已知的科学定律在大爆炸奇点处失效,人们不能预言宇宙是如何开始的。宇宙可以从一个非常光滑和有序的状态开始。这就会导致正如我们所观察到的、定义很好的热力学和宇宙学的时间箭头。但是,它可以同样合理地从一个非常波浪起伏的无序状态开始。在那种情况下,宇宙已经处于一种完全无序的状态,所以无序度不会随时间而增加。或者它保持常数,这时就没有定义很好的热力学时间箭头;或者它会减小,这时热力学时间箭头就会和宇宙学时间箭头相反向。任何这些可能性都不符合我们所观察到的情况。然而,正如我们看到的,经典广义相对论预言了它自身的崩溃。当空间——时间曲率变大,量子引力效应变得重要,并且经典理论不再能很好地描述宇宙时,人们必须用量子引力论去理解宇宙是如何开始的。

正如我们在上一章看到的,在量子引力论中,为了指定宇宙的态,人们仍然必须说清在过去的空间—时间的边界的宇宙的可能历史是如何行为的。只有如果这些历史满足无边界条件,人们才可能避免这个不得不描述我们不知道和无法知道的东西的困难:它们在尺度上有限,但是没有边界、边缘或奇点。在这种情形下,时间的开端就会是规则的、光滑的空间—时间的点,并且宇宙在一个非常光滑和有序的状态下开始它的膨胀。

它不可能是完全均匀的,否则就违反了量子理论不确定性原理。必然存在密度和粒子速度的小起伏,然而无边界条件意味着,这些起伏又是在与不确定性原理相一致的条件下尽可能的小。

宇宙刚开始时有一个指数或“暴涨”的时期,在这期间它的尺度增加了一个非常大的倍数。在膨胀时,密度起伏一开始一直很小,但是后来开始变大。在密度比平均值稍大的区域,额外质量的引力吸引使膨胀速度放慢。最终,这样的区域停止膨胀,并坍缩形成星系、恒星以及我们这样的人类。宇宙开始时处于一个光滑有序的状态,随时间演化成波浪起伏的无序的状态。这就解释了热力学时间箭头的存在。

如果宇宙停止膨胀并开始收缩将会发生什么呢?热力学箭头会不会倒转过来,而无序度开始随时间减少呢?这为从膨胀相存活到收缩相的人们留下了五花八门的科学幻想的可能性。他们是否会看到杯子的碎片集合起来离开地板跳回到桌子上去?他们会不会记住明天的价格,并在股票市场上发财致富?由于宇宙至少要再等一百亿年之后才开始收缩,忧虑那时会发生什么似乎有点学究气。但是有一种更快的办法去查明将来会发生什么,即跳到黑洞里面去。恒星坍缩形成黑洞的过程和整个宇宙的坍缩的后期相当类似;这样,如果在宇宙的收缩相无序度减小,可以预料它在黑洞里面也会减小。所以,一个落到黑洞里去的航天员能在投赌金之前,也许能依靠记住轮赌盘上球儿的走向而赢钱。

(然而,不幸的是,玩不了多久,他就会变成意大利面条。他也不能使我们知道热力学箭头的颠倒,或者甚至将他的赢钱存入银行,因为他被困在黑洞的事件视界后面。)起初,我相信在宇宙坍缩时无序度会减小。这是因为,我认为宇宙再变小时,它必须回到光滑和有序的状态。这表明,收缩相仅仅是膨胀相的时间反演。处在收缩相的人们将以倒退的方式生活:他们在出生之前即已死去,并且随着宇宙收缩变得更年轻。

这个观念是吸引人的,因为它表明在膨胀相和收缩相之间存在一个漂亮的对称。然而,人们不能置其他有关宇宙的观念于不顾,而只采用这个观念。问题在于:它是否由无边界条件所隐含或它是否与这个条件不相协调?正如我说过的,我起先以为无边界条件确实意味着无序度会在收缩相中减小。我之所以被误导,部分是由于与地球表面的类比引起的。如果人们将宇宙的开初对应于北极,那么宇宙的终结就应该类似于它的开端,正如南极之与北极相似。然而,北南二极对应于虚时间中的宇宙的开端和终结。在实时间里的开端和终结之间可有非常大的差异。我还被我作过的一项简单的宇宙模型的研究所误导,在此模型中坍缩相似乎是膨胀相的时间反演。然而,我的一位同事