時間的箭頭

在懷特的幻想小說中曾經和未來的國王，魔術師梅林（Merlyn）患有罕見且無法治癒的狀況：他經歷了時間。他知道會發生什麼，他哀嘆，但不是發生了什麼。 “我必須從前方倒退，而被許多人從後面生活的人包圍著，”他向一個有道理的困惑伴侶解釋說。

雖然梅林是虛構的，但時間的向後流不應該是。正如懷特小說中的螞蟻協會所宣稱的那樣，“不禁止的一切都是強制性的”，物理定律並不禁止時間向後奔跑。確定火箭加速度或台球勢頭的方程式都可以隨著時間向前流動而奏效。然而，與梅林不同，我們記得過去，但不記得未來。我們變老，但從未年輕。指向一個方向的時間有一個獨特的箭頭。

近140年來，科學家一直試圖通過自然界對混亂的偏愛來排除時間的落後時間。大自然將整潔變成了凌亂的，這是許多物理學家用來定義時間方向的單向發展。但是，如果大自然現在更喜歡疾病，它總是有。面臨的挑戰是弄清楚為什麼宇宙才如此有序起步（從而使疾病的成長並有時間向前邁進），而早期的宇宙應該凌亂。儘管有很多建議，但物理學家仍無法就令人滿意的解釋達成共識。

新論文提供了解決方案。作者說，秘密成分是重力。研究人員使用重力相互作用的粒子的簡單模擬表明，有序的宇宙應始終在某個時間點自然出現。從那裡，宇宙分支在相反的時間方向上。在每個分支機構中，時間都流向增加的障礙，從本質上創造了兩個共享一個過去的未來。物理學家朱利安·巴伯（Julian Barbour）說：“這是唯一一個清晰，簡單的想法來解釋時間的基礎。”學習去年10月出版物理評論信。

這可能很清楚，但這遠非唯一試圖解釋《時間箭》之謎的想法。在過去的幾十年中，許多科學家（和哲學家）提出了將自然時間可轉移定律與時間不可逆轉的流動調和的想法。 Barbour及其同事承認，時間問題的箭頭遠非解決 - 無法保證他們的簡單模擬會捕捉我們所知道的宇宙的所有復雜性。但是他們的研究提供了一種異常優雅的機制來解釋時間的箭頭以及一些誘人的含義。沿著Barbour及其同事沿線攻擊箭頭神秘，這可能表明宇宙是永恆的。

混合大理石

沒有人確切知道為什麼時間不會向後流。但是大多數科學家懷疑這種解釋取決於熱力學的第二定律，這描述了自然對混亂的熱愛。考慮一個裝有100個編號大理石的罐子，其中50個紅色和50個藍色。一個空閒時間過多的人，然後為大理石的每種可能安排拍照（是的，這將比人類的壽命更長），並創建巨大的拼貼畫。即使每張照片都描繪了編號不同的大理石排列，但絕大多數圖像看起來也非常相似：紅色和藍色的混亂。很少有照片將所有紅色大理石都放在罐子的一側，而另一個紅色大理石則在另一側。隨機挑選的照片將是更有可能顯示出比秩序之一的混亂狀態。

19世紀的物理學家通過思考蒸汽機中的熱量來認識到這種混亂的傾向。當兩個氣體彼此暴露時，更高溫度容器的更快移動分子（想想藍色大理石）傾向於與冷卻器容器的較慢分子（紅色大理石）混合。最終，容器的組合物將在平衡溫度下沉降，因為混合冷熱狀態的混合狀態很可能很可能是很可能。

在19世紀中葉，物理學家介紹了熵的概念，以量化散熱系統的障礙。奧地利物理學家路德維希·鮑爾茨曼（Ludwig Boltzmann）通過將熵與可以安排微觀成分產生無法區分的宏觀宏觀宏觀狀態的方式的數量聯繫起來。例如，帶有隔離紅色和藍色大理石的罐子的熵較低，因為編號的大理石的排列只能產生該顏色模式。同樣，有許多快速和緩慢的分子組合將在平衡溫度（最高熵）下產生氣體。與低低相比，要獲得高熵的方法要多得多，這為第二種熱力學定律提供了基礎：封閉系統的熵傾向於增加，直到達到平衡，這是最大的疾病狀態。

第二定律解釋了為什麼奶油很容易融合到咖啡中，但不會融合在一起，以及為什麼Humpty Dumpty在他命運的跌倒後不會自發地重新組裝。至關重要的是，第二定律還定義了時間的熱力學箭頭。朝著最大熵的驅動是一個不可逆轉的過程，該過程受時間可逆的物理定律管轄。第二定律表明，時間從過去到現在流到未來，因為宇宙正在從有序的低滲透狀態發展到無序的高凝性。

註冊我們的新聞通訊

我們每個星期四總結了本週的科學突破。

不幸的是，物理學家必須做出一個重大的假設，以連接熵和時間的箭頭。如果自大爆炸以來（138億年前的大爆炸以來），那麼宇宙的原始熵一定足夠低，即使在今天，宇宙也沒有接近平衡。然而，正如大理石罐所揭示的那樣，熵的低點並不多。如果您從帽子中隨機選擇了宇宙的初始熵價值，“您幾乎可以肯定會選擇平衡，”加州大學聖克魯斯分校的宇宙學家安東尼·阿奎爾（Anthony Aguirre）說。平衡中的宇宙就像徹底混合的氣體分子容器：不變，沒有熱量流動，沒有雞蛋破裂，剩下的秩序袋中剩下的秩序都無法轉化為疾病。這不是科學家在過去和今天看宇宙時看到的。

這個早期的熵難題困擾著許多物理學家。他們想證明宇宙是典型的，它不需要非常幸運的休息即可發展為當前狀況。但是，從熵方面，構建大爆炸時代是一個濕滑的主張。那時，物質和能量被限制在一個熱，密集的球中。一些物理學家認為這是一種有序的低滲透狀態。其他人則說，它類似於平衡中的氣體分子容器。大多數物理學家都認為，熱力學的第二定律對於解釋時間箭頭至關重要，但是他們仍然想開發一種簡單的理論來解釋時間流。

Janus點

巴伯在這個時光思想家中。像隨機的低滲透狀態一樣，他是物理學的稀有性：自由職業者。完成博士學位後1968年，在德國科隆大學，他退出了學術界，以便他可以專注於基本物理學而不是獲得任期。他生活在一個小的英國教區（人口285）中，那裡的農村魅力和數百年曆史的房屋產生了一種幻想，即自啟蒙時代以來時代已經放緩。

巴伯（Barbour）在幾年前開始研究箭頭問題。他正在考慮N體問題，該問題需要確定由於重力而互相拉扯的多個物體的運動。他想知道，明顯影響物質運動的重力是否也會影響時間的流動。 Barbour與加拿大弗雷德里克頓新不倫瑞克大學的蒂姆·科斯洛夫斯基（Tim Koslowski）和加拿大滑鐵盧（Waterloo）的理論物理學外周長研究所的弗雷維奧·梅爾卡蒂（Flavio Mercati）合作。他們建立了一個玩具宇宙 - 一個簡單的模擬，用於檢查復雜宇宙的工作，而無需所有混亂的細節。這個宇宙由無限空間中的1,000個顆粒組成，這些顆粒僅通過牛頓重力相互作用。

Barbour，Koslowski和Mercati不僅僅是在某些粒子中拋棄並按下播放。假設時間流的時間流將擊敗練習的目的。取而代之的是，他們讓模擬撕裂並錄製了一系列快照，例如電影中的框架。每個框架捕獲了顆粒的位置並記錄了系統的複雜性 - 該度量量化了顆粒的擴散和聚類。 （在大多數情況下，複雜性隨著熵的增加而增加。）然後，研究人員將框架拼湊在一起以創建連貫的電影，就像有人從視頻中訂購靜止圖像，從而捕捉了搖擺擺錘的運動。

在多次運行模擬的粒子數量多次之後，Barbour及其同事注意到了明確的模式。在每個模擬過程中，在某些瞬間，所有顆粒都會將其匯合到一個均勻的球中，這是最小複雜性的時刻。那麼複雜性就會增加。隨著從最小複雜度的瞬間開始的時間上的時間增加，團塊的數量和它們之間的距離也隨之增加。

Barbour和他的團隊立即與我們的宇宙及其箭頭建立了聯繫。在一次瞬間，玩具宇宙的1,000個顆粒形成了一個堆滿的均勻球，類似於大爆炸的條件。從那裡開始，球擴展為稀疏，結塊的佈置，更讓人聯想到當今的星系群 - 腐爛的宇宙。從簡單性到復雜性的轉變發生在兩個方向上。這意味著，進化為創造我們今天看到的宇宙的所有物質和能量也可以在時間方向上獨立發展。我們所知道的作為宇宙實際上可能只是在同一空間中但在不同時間存在的一對。

研究人員得出的結論是，生活在任何一個宇宙中的觀察者都會將時間視為從大爆炸式斑點到現在的複雜性越來越多的方向流動。觀察者在時間表的一側的箭頭似乎是從另一側的觀察者的角度向後奔跑的，但這是學術性的：觀察者永遠無法將筆記與他或她的對應物進行比較，因為這需要隨著時間的流逝而向後埋葬。

至關重要的是，研究人員的提議證明了Boltzmann將近140年前不能：隨著時間對稱的物理定律，隨時間的不對稱性可能自然出現。實際上，Barbour及其同事在數學上證明，如果真實的宇宙的行為像玩具一樣，那麼重力驅動的時間必須出現。這種必然性可以解決為什麼早期宇宙中的熵如此之低的問題。 Barbour及其同事說，大爆炸可以代表一個最小複雜的時刻，當重力在工作時總是會產生的。研究人員以羅馬起點神的態度命名了Janus Point的關鍵，他的面孔朝著過去，另一個朝向未來。

阿奎爾說：“他們給出的證據很好優雅。”但是他警告說，巴伯有很長的路要證明他的模擬簡化了重力並忽略了量子物理，可以近似實際的宇宙。巴伯說，他的團隊正在努力確認粒子在一個受愛因斯坦無所不包的重力理論的普遍相對論所支配的宇宙中的行為也是如此。

永恆的宇宙

如果Barbour的提議成立，它將提供有趣的證據，表明宇宙是永恆的，沒有時間，也沒有時間。如今，許多宇宙學家將大爆炸視為宇宙前鋒箭頭的開始。但是巴伯的模擬表明，大爆炸是兩個箭頭的起點，這兩種箭都指向增加的障礙。我們所知道的宇宙以其中一隻箭為指導，已經發展為使星星，星系和生命的發展發展。 Janus點另一側的宇宙對我們來說是無法檢測到的，但由相同的起始成分製成，可能非常相似。

在某些方面，巴伯的提議很像一宇宙學家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）和詹妮弗·陳（Jennifer Chen）在芝加哥大學時於2004年製造。他們還設想了一個永恆的宇宙，儘管它存在於平衡狀態。捕獲的是，偶爾的量子波動可能會激發低滲透宇宙的誕生，這些宇宙破裂，擴展和發展向更高的熵（SN：6/19/10，p。 26）。嬰兒宇宙可以朝任一個時間方向捏住，從而確保了當地的時間箭頭，同時保留了整體時間對稱性。

Aguirre，誰描述這些最新的研究在2003年有一個局部箭頭的永恆多元宇宙，這些研究應該讓宇宙學家在考慮大爆炸是否真正標誌著時間開始時停下來。他說。儘管他不希望自己的工作或卡洛爾，陳或巴爾的工作會影響他的同事，但他說，未來的天文觀察可能會支持永恆的多元宇宙（SN：6/7/08，p。 23）。

巴伯的發現還開闢了一種可能使鮑爾茨曼在墳墓中滾動的可能性。 Barbour說，如果重力是解釋時間向前流動的關鍵成分，那麼也許是一種結合重力的新措施應該取代蒸汽機啟發的熵概念。 Barbour並不是說熵是沒有用的，或者第二定律是錯誤的，而是他質疑是否可以將熵用於描述整個宇宙。

紐約州波茨坦克拉克森大學的物理學家勞倫斯·舒爾曼（Lawrence Schulman）分享了巴伯（Barbour）的熵恐怖。 “很難為整個宇宙定義熵，”舒爾曼說。建議在1999年，這段時間可能在宇宙的某些地區向後流動。他說，一盒氣體分子具有界限，使得可以很容易地描述整個氣體的大規模配置。宇宙在我們可見的各個方向上都超過了數十億光年。重力在宇宙的演變中起著比在輕質氣體分子容器中所起的作用要大得多。

作為熵的替代品，巴伯，科斯洛夫斯基和梅爾卡蒂在即將到來的紙上提出了一個稱為“恩納斯基”的指標。從希臘語“向秩序”中，誘惑衡量了重力產生的秩序程度。它本質上與熵相反。基於它們的模擬，最大腸發生在Janus點，當重力將物質和能量一起拉入一個有序的團塊時。隨著宇宙從兩個方向從有序的角度演變，隨著物質的分開並形成了不斷鍛煉的團塊，腸子會減少。巴伯說，自從大爆炸以來，宇宙的結局就一直在減少。

卡洛爾（Carroll），現在在加州理工學院（Caltech）撰寫2010年書在時間的箭頭上，在鮑爾茨曼團隊中保持堅定的態度。他說，重力對於理解增長的滲透宇宙的外觀至關重要，但這並不意味著應將重力納入宇宙疾病的測量中。他說：“當您看到熵時，您就會知道熵的挑戰，即使宇宙比蒸汽機或一罐大理石提出了更多的挑戰。

卡洛爾（Carroll）讚揚巴伯（Barbour）及其同事的工作，但他認為，如果粒子彼此之間沒有引力影響，類似的模擬也同樣有效。他正在與麻省理工學院宇宙學家艾倫·古斯（Alan Guth）合作，創建一個沒有重力的模擬。卡洛爾說，巴伯的玩具世界很簡單，但“具體”。 “我們希望我們的模型變得簡單而通用。我們實際上沒有力量或互動。”顆粒直線移動，然後像台球一樣互相反彈。卡羅爾（Carroll）和古斯（Guth）尚未生產一張紙，但卡洛爾（Carroll）說，他們的玩具世界也導致了一個類似賈努斯（Janus）的點，而時間差異很大。

古斯（Guth）和卡洛爾（Carroll）確實可以證明，無重力參與的時間可以出現。另外，Barbour和他的團隊可能會設計一個更完整的理論，結合了一般的相對性和謎。也許這些模擬對實際宇宙中的時間箭頭無話可說。不管研究的領導地位，巴伯說，他對方法的簡單性感到滿意。他說，如果觀察一組簡單的粒子的行為，這將是合適的，這為理解時間的箭頭提供了第一個重要的線索，最終最終一勞永逸地解決了問題。

---

本文發表於2015年7月25日科學新聞帶有標題，”時間的箭頭：也許重力使宇宙變成兩個相對的未來。 ”