时间的箭头

在怀特的幻想小说中曾经和未来的国王，魔术师梅林（Merlyn）患有罕见且无法治愈的状况：他经历了时间。他知道会发生什么，他哀叹，但不是发生了什么。 “我必须从前方倒退，而被许多人从后面生活的人包围着，”他向一个有道理的困惑伴侣解释说。

虽然梅林是虚构的，但时间的向后流不应该是。正如怀特小说中的蚂蚁协会所宣称的那样，“不禁止的一切都是强制性的”，物理定律并不禁止时间向后奔跑。确定火箭加速度或台球势头的方程式都可以随着时间向前流动而奏效。然而，与梅林不同，我们记得过去，但不记得未来。我们变老，但从未年轻。指向一个方向的时间有一个独特的箭头。

近140年来，科学家一直试图通过自然界对混乱的偏爱来排除时间的落后时间。大自然将整洁变成了凌乱的，这是许多物理学家用来定义时间方向的单向发展。但是，如果大自然现在更喜欢疾病，它总是有。面临的挑战是弄清楚为什么宇宙才如此有序起步（从而使疾病的成长并有时间向前迈进），而早期的宇宙应该凌乱。尽管有很多建议，但物理学家仍无法就令人满意的解释达成共识。

新论文提供了解决方案。作者说，秘密成分是重力。研究人员使用重力相互作用的粒子的简单模拟表明，有序的宇宙应始终在某个时间点自然出现。从那里，宇宙分支在相反的时间方向上。在每个分支机构中，时间都流向增加的障碍，从本质上创造了两个共享一个过去的未来。物理学家朱利安·巴伯（Julian Barbour）说：“这是唯一一个清晰，简单的想法来解释时间的基础。”学习去年10月出版物理评论信。

这可能很清楚，但这远非唯一试图解释《时间箭》之谜的想法。在过去的几十年中，许多科学家（和哲学家）提出了将自然时间可转移定律与时间不可逆转的流动调和的想法。 Barbour及其同事承认，时间问题的箭头远非解决 - 无法保证他们的简单模拟会捕捉我们所知道的宇宙的所有复杂性。但是他们的研究提供了一种异常优雅的机制来解释时间的箭头以及一些诱人的含义。沿着Barbour及其同事沿线攻击箭头神秘，这可能表明宇宙是永恒的。

混合大理石

没有人确切知道为什么时间不会向后流。但是大多数科学家怀疑这种解释取决于热力学的第二定律，这描述了自然对混乱的热爱。考虑一个装有100个编号大理石的罐子，其中50个红色和50个蓝色。一个空闲时间过多的人，然后为大理石的每种可能安排拍照（是的，这将比人类的寿命更长），并创建巨大的拼贴画。即使每张照片都描绘了编号不同的大理石排列，但绝大多数图像看起来也非常相似：红色和蓝色的混乱。很少有照片将所有红色大理石都放在罐子的一侧，而另一个红色大理石则在另一侧。随机挑选的照片将是更有可能显示出比秩序之一的混乱状态。

19世纪的物理学家通过思考蒸汽机中的热量来认识到这种混乱的倾向。当两个气体彼此暴露时，更高温度容器的更快移动分子（想想蓝色大理石）倾向于与冷却器容器的较慢分子（红色大理石）混合。最终，容器的组合物将在平衡温度下沉降，因为混合冷热状态的混合状态很可能很可能是很可能。

在19世纪中叶，物理学家介绍了熵的概念，以量化散热系统的障碍。奥地利物理学家路德维希·鲍尔茨曼（Ludwig Boltzmann）通过将熵与可以安排微观成分产生无法区分的宏观宏观宏观状态的方式的数量联系起来。例如，带有隔离红色和蓝色大理石的罐子的熵较低，因为编号的大理石的排列只能产生该颜色模式。同样，有许多快速和缓慢的分子组合将在平衡温度（最高熵）下产生气体。与低低相比，要获得高熵的方法要多得多，这为第二种热力学定律提供了基础：封闭系统的熵倾向于增加，直到达到平衡，这是最大的疾病状态。

第二定律解释了为什么奶油很容易融合到咖啡中，但不会融合在一起，以及为什么Humpty Dumpty在他命运的跌倒后不会自发地重新组装。至关重要的是，第二定律还定义了时间的热力学箭头。朝着最大熵的驱动是一个不可逆转的过程，该过程受时间可逆的物理定律管辖。第二定律表明，时间从过去到现在流到未来，因为宇宙正在从有序的低渗透状态发展到无序的高凝性。

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不幸的是，物理学家必须做出一个重大的假设，以连接熵和时间的箭头。如果自大爆炸以来（138亿年前的大爆炸以来），那么宇宙的原始熵一定足够低，即使在今天，宇宙也没有接近平衡。然而，正如大理石罐所揭示的那样，熵的低点并不多。如果您从帽子中随机选择了宇宙的初始熵价值，“您几乎可以肯定会选择平衡，”加州大学圣克鲁斯分校的宇宙学家安东尼·阿奎尔（Anthony Aguirre）说。平衡中的宇宙就像彻底混合的气体分子容器：不变，没有热量流动，没有鸡蛋破裂，剩下的秩序袋中剩下的秩序都无法转化为疾病。这不是科学家在过去和今天看宇宙时看到的。

这个早期的熵难题困扰着许多物理学家。他们想证明宇宙是典型的，它不需要非常幸运的休息即可发展为当前状况。但是，从熵方面，构建大爆炸时代是一个湿滑的主张。那时，物质和能量被限制在一个热，密集的球中。一些物理学家认为这是一种有序的低渗透状态。其他人则说，它类似于平衡中的气体分子容器。大多数物理学家都认为，热力学的第二定律对于解释时间箭头至关重要，但是他们仍然想开发一种简单的理论来解释时间流。

Janus点

巴伯在这个时光思想家中。像随机的低渗透状态一样，他是物理学的稀有性：自由职业者。完成博士学位后1968年，在德国科隆大学，他退出了学术界，以便他可以专注于基本物理学而不是获得任期。他生活在一个小的英国教区（人口285）中，那里的农村魅力和数百年历史的房屋产生了一种幻想，即自启蒙时代以来时代已经放缓。

巴伯（Barbour）在几年前开始研究箭头问题。他正在考虑N体问题，该问题需要确定由于重力而互相拉扯的多个物体的运动。他想知道，明显影响物质运动的重力是否也会影响时间的流动。 Barbour与加拿大弗雷德里克顿新不伦瑞克大学的蒂姆·科斯洛夫斯基（Tim Koslowski）和加拿大滑铁卢（Waterloo）的理论物理学外周长研究所的弗雷维奥·梅尔卡蒂（Flavio Mercati）合作。他们建立了一个玩具宇宙 - 一个简单的模拟，用于检查复杂宇宙的工作，而无需所有混乱的细节。这个宇宙由无限空间中的1,000个颗粒组成，这些颗粒仅通过牛顿重力相互作用。

Barbour，Koslowski和Mercati不仅仅是在某些粒子中抛弃并按下播放。假设时间流的时间流将击败练习的目的。取而代之的是，他们让模拟撕裂并录制了一系列快照，例如电影中的框架。每个框架捕获了颗粒的位置并记录了系统的复杂性 - 该度量量化了颗粒的扩散和聚类。 （在大多数情况下，复杂性随着熵的增加而增加。）然后，研究人员将框架拼凑在一起以创建连贯的电影，就像有人从视频中订购静止图像，从而捕捉了摇摆摆锤的运动。

在多次运行模拟的粒子数量多次之后，Barbour及其同事注意到了明确的模式。在每个模拟过程中，在某些瞬间，所有颗粒都会将其汇合到一个均匀的球中，这是最小复杂性的时刻。那么复杂性就会增加。随着从最小复杂度的瞬间开始的时间上的时间增加，团块的数量和它们之间的距离也随之增加。

Barbour和他的团队立即与我们的宇宙及其箭头建立了联系。在一次瞬间，玩具宇宙的1,000个颗粒形成了一个堆满的均匀球，类似于大爆炸的条件。从那里开始，球扩展为稀疏，结块的布置，更让人联想到当今的星系群 - 腐烂的宇宙。从简单性到复杂性的转变发生在两个方向上。这意味着，进化为创造我们今天看到的宇宙的所有物质和能量也可以在时间方向上独立发展。我们所知道的作为宇宙实际上可能只是在同一空间中但在不同时间存在的一对。

研究人员得出的结论是，生活在任何一个宇宙中的观察者都会将时间视为从大爆炸式斑点到现在的复杂性越来越多的方向流动。观察者在时间表的一侧的箭头似乎是从另一侧的观察者的角度向后奔跑的，但这是学术性的：观察者永远无法将笔记与他或她的对应物进行比较，因为这需要随着时间的流逝而向后埋葬。

至关重要的是，研究人员的提议证明了Boltzmann将近140年前不能：随着时间对称的物理定律，随时间的不对称性可能自然出现。实际上，Barbour及其同事在数学上证明，如果真实的宇宙的行为像玩具一样，那么重力驱动的时间必须出现。这种必然性可以解决为什么早期宇宙中的熵如此之低的问题。 Barbour及其同事说，大爆炸可以代表一个最小复杂的时刻，当重力在工作时总是会产生的。研究人员以罗马起点神的态度命名了Janus Point的关键，他的面孔朝着过去，另一个朝向未来。

阿奎尔说：“他们给出的证据很好优雅。”但是他警告说，巴伯有很长的路要证明他的模拟简化了重力并忽略了量子物理，可以近似实际的宇宙。巴伯说，他的团队正在努力确认粒子在一个受爱因斯坦无所不包的重力理论的普遍相对论所支配的宇宙中的行为也是如此。

永恒的宇宙

如果Barbour的提议成立，它将提供有趣的证据，表明宇宙是永恒的，没有时间，也没有时间。如今，许多宇宙学家将大爆炸视为宇宙前锋箭头的开始。但是巴伯的模拟表明，大爆炸是两个箭头的起点，这两种箭都指向增加的障碍。我们所知道的宇宙以其中一只箭为指导，已经发展为使星星，星系和生命的发展发展。 Janus点另一侧的宇宙对我们来说是无法检测到的，但由相同的起始成分制成，可能非常相似。

在某些方面，巴伯的提议很像一宇宙学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）和詹妮弗·陈（Jennifer Chen）在芝加哥大学时于2004年制造。他们还设想了一个永恒的宇宙，尽管它存在于平衡状态。捕获的是，偶尔的量子波动可能会激发低渗透宇宙的诞生，这些宇宙破裂，扩展和发展向更高的熵（SN：6/19/10，p。 26）。婴儿宇宙可以朝任一个时间方向捏住，从而确保了当地的时间箭头，同时保留了整体时间对称性。

Aguirre，谁描述这些最新的研究在2003年有一个局部箭头的永恒多元宇宙，这些研究应该让宇宙学家在考虑大爆炸是否真正标志着时间开始时停下来。他说。尽管他不希望自己的工作或卡洛尔，陈或巴尔的工作会影响他的同事，但他说，未来的天文观察可能会支持永恒的多元宇宙（SN：6/7/08，p。 23）。

巴伯的发现还开辟了一种可能使鲍尔茨曼在坟墓中滚动的可能性。 Barbour说，如果重力是解释时间向前流动的关键成分，那么也许是一种结合重力的新措施应该取代蒸汽机启发的熵概念。 Barbour并不是说熵是没有用的，或者第二定律是错误的，而是他质疑是否可以将熵用于描述整个宇宙。

纽约州波茨坦克拉克森大学的物理学家劳伦斯·舒尔曼（Lawrence Schulman）分享了巴伯（Barbour）的熵恐怖。 “很难为整个宇宙定义熵，”舒尔曼说。建议在1999年，这段时间可能在宇宙的某些地区向后流动。他说，一盒气体分子具有界限，使得可以很容易地描述整个气体的大规模配置。宇宙在我们可见的各个方向上都超过了数十亿光年。重力在宇宙的演变中起着比在轻质气体分子容器中所起的作用要大得多。

作为熵的替代品，巴伯，科斯洛夫斯基和梅尔卡蒂在即将到来的纸上提出了一个称为“恩纳斯基”的指标。从希腊语“向秩序”中，诱惑衡量了重力产生的秩序程度。它本质上与熵相反。基于它们的模拟，最大肠发生在Janus点，当重力将物质和能量一起拉入一个有序的团块时。随着宇宙从两个方向从有序的角度演变，随着物质的分开并形成了不断锻炼的团块，肠子会减少。巴伯说，自从大爆炸以来，宇宙的结局就一直在减少。

卡洛尔（Carroll），现在在加州理工学院（Caltech）撰写2010年书在时间的箭头上，在鲍尔茨曼团队中保持坚定的态度。他说，重力对于理解增长的渗透宇宙的外观至关重要，但这并不意味着应将重力纳入宇宙疾病的测量中。他说：“当您看到熵时，您就会知道熵的挑战，即使宇宙比蒸汽机或一罐大理石提出了更多的挑战。

卡洛尔（Carroll）赞扬巴伯（Barbour）及其同事的工作，但他认为，如果粒子彼此之间没有引力影响，类似的模拟也同样有效。他正在与麻省理工学院宇宙学家艾伦·古斯（Alan Guth）合作，创建一个没有重力的模拟。卡洛尔说，巴伯的玩具世界很简单，但“具体”。 “我们希望我们的模型变得简单而通用。我们实际上没有力量或互动。”颗粒直线移动，然后像台球一样互相反弹。卡罗尔（Carroll）和古斯（Guth）尚未生产一张纸，但卡洛尔（Carroll）说，他们的玩具世界也导致了一个类似贾努斯（Janus）的点，而时间差异很大。

古斯（Guth）和卡洛尔（Carroll）确实可以证明，无重力参与的时间可以出现。另外，Barbour和他的团队可能会设计一个更完整的理论，结合了一般的相对性和谜。也许这些模拟对实际宇宙中的时间箭头无话可说。不管研究的领导地位，巴伯说，他对方法的简单性感到满意。他说，如果观察一组简单的粒子的行为，这将是合适的，这为理解时间的箭头提供了第一个重要的线索，最终最终一劳永逸地解决了问题。

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本文发表于2015年7月25日科学新闻带有标题，”时间的箭头：也许重力使宇宙变成两个相对的未来。”