在他 1938 年出版的一本书中有一段著名段落真理境界，西班牙裔美国哲学家乔治·桑塔亚那将时间比作沿着导火索流动的火焰。火焰的位置标志着当下，它向前加速，但绝不会后退，因为导火索在它身后消失了。桑塔亚那评论道：“当下的本质就像火焰一样沿着时间的导火索流动。”导火索上的每一个火花都代表着将未来转变为过去并“完美结合形成历史的不变真相”的“现在”之一。
这远非一个完美的类比。例如，沿着电线飞舞的火焰并不能完全捕捉到时间的奇特特征，而正是这些特征让物理学家在思考相对论和量子力学时感到困惑。但桑塔亚纳的火花确实说明了时间最持久和最令人费解的特性之一——它的不可逆性。
时间总是向前迈进，走向未来。你只需呼吸就能进入未来，但过去只能通过记忆和其他记录来获取。时间像箭一样朝着一个方向飞逝，从不掉头。爆米花永远不会爆开，鸡蛋永远不会恢复原状，你也无法将爆炸的炸药重新组装起来。
加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔说：“过去和未来之间的差异体现在物理学、哲学、生物学和心理学等各个领域。时间之箭绝对影响着我们对宇宙的思考方式。”
但奇怪的是，支配宇宙的物理定律并不承认这种时间上的必然性。描述引导物质运动的力量的方程式在时间上向前和向后都同样有效。一个弹跳分子的微观世界视频需要时间戳来区分正向和反向——在分子尺度上，时间没有方向。然而，在弹跳篮球的大世界里，时钟一直在走，它的指针永远不会改变旋转的方向。
一个多世纪以来，时间之箭从时间盲自然定律中出现，让物理学家和哲学家都感到困惑。尽管似乎已经提出的解决这一谜团的方案比 iPhone 应用程序还多，但新的解释尝试仍然像钟表一样定期出现。一些最新的提议表明，时间之谜可能是涉及宇宙起源的更宏大戏剧中的一个基本情节。
时间变得混乱
尽管对时间之箭的确切来源尚无一致意见，但大多数专家一致认为它与熵有关，熵是热力学第二定律要求的事物不断增加的无序性。随着时间的推移，任何不受外界影响的系统都会增加无序性（或至少保持不变）。
但遗憾的是，仅依靠热力学第二定律来解释时间之箭并不能解决这个难题。当然，熵的增加定义了时间的方向，但只有在一切都处于平衡状态时才有效——用专业术语来说，就是一切都乱七八糟。正如奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼在 19 世纪所解释的那样，“一切都乱七八糟”是迄今为止最有可能的情况。宇宙的熵明显小于可能的最大值，这应该是一次极其幸运的突破，就像在一场通宵扑克游戏中每手都抽到同花大顺一样。所以无论如何，一切都应该已经乱七八糟了——因此不应该有时间之箭。
但宇宙并非如此。事物虽然杂乱无章，但还没有达到应有的程度，因此宇宙时间的导火索可以继续燃烧。换句话说，宇宙中的熵在过去足够低，有足够的空间继续升高，正是这种对混乱的追求推动了时间之箭朝着其独特的方向前进。因此，解释时间之箭不仅需要第二定律，还需要一些原因来解释为什么熵曾经低得多——具体来说，为什么当宇宙时钟随着宇宙大爆炸中宇宙导火索的点燃而开始滴答作响时，熵很低。
卡罗尔二月份在圣地亚哥举行的美国科学促进会年会上表示：“想要理解为什么可以将奶油混入咖啡中，却不能将它们分开，需要回到大爆炸理论，需要回到可观测宇宙的起源问题。”
爆炸之前
从大约 137 亿年前的大爆炸那一刻起，宇宙就一直在膨胀。用这种膨胀来解释日常生活中时间的流动已经成为解决时间之谜的标准策略。这种方法可以追溯到半个世纪前，当时天文学家托马斯·戈尔德 (Thomas Gold) 显然是第一个将第二定律定义的热力学时间箭头与大爆炸引起的膨胀所定义的宇宙箭头联系起来的人。这种方法以各种形式表明，膨胀的空间允许熵增加，无论它开始时有多低或多高。即使熵开始时很高，膨胀也会让它变得更高。因此，它继续上升，宇宙时钟继续滴答作响。
然而，卡罗尔在他的新书中从永恒到现在指出（就像他之前的其他人一样），这种解决方案只是假设时间方向的存在，而没有解释它。基本上，它只是将大爆炸定义为“过去”的一个点，时间从这个点开始向一个方向流动。这种情景并不保留宇宙基本方程中发现的两个时间方向之间的奇偶性。卡罗尔提出，要找到一个完整的解释，需要追溯到更远的时间，直到大爆炸之前。
“你经常听到宇宙学家说大爆炸是空间和时间开始的时刻，大爆炸之前不存在任何事物，”卡罗尔在美国科学促进会会议上说。“事实是，大爆炸是我们理解的终结时刻。我们不知道大爆炸之前发生了什么，但绝对有可能发生了什么。”
事实上，当今许多宇宙学家都在认真研究大爆炸之前发生过各种事情的可能性，以及它所创造的宇宙只是众多不同的时空泡沫中的一个，就像啤酒杯上的泡沫一样覆盖着永恒的表面（SN：6/6/09，第 26 页）。这个复杂的“多元宇宙”可能包含无数个独立的宇宙，每个宇宙都以婴儿泡泡的形式在一次大爆炸中诞生，然后切断了连接它与原始空虚的脐带虫洞。
卡罗尔认为，这种空虚将是一种高熵环境，技术上称为德西特空间。然而，“空虚”一词并不能准确描述这种空虚。根据量子物理学——具体来说，是海森堡不确定性原理——完全空虚的空间是不允许存在的。能量波动是不可避免的，在极少数情况下，这种波动会大到足以爆破一个全新的时空泡——一个婴儿宇宙。这个婴儿宇宙可能会膨胀成人类物理学家在他们可以从内部检查的一个泡中看到的那种东西。
“每隔一段时间，波动就会形成一小团宇宙，由能量主导，使其膨胀得非常非常快，”卡罗尔解释道。“这种能量可以停留一段时间，然后变成普通物质和辐射，整个场景看起来就像我们的大爆炸一样。”
这样，大爆炸之前存在的高熵空时空就可以通过产生一个子宇宙来进一步增加其熵。尽管子宇宙的熵值较低，但系统的总熵（母宇宙德西特空间加上子宇宙）会更高，从而保持第二定律。在将自己从母宇宙空间中挤压出来后，低熵子宇宙会膨胀，随着子宇宙熵值的上升，第二定律将决定时间的方向。最终，子宇宙的熵值将达到最大值，变得和其永恒的德西特空间母宇宙一样。然后它就可以产生自己的子宇宙了。
“随着时间的流逝，宇宙诞生了——一个婴儿宇宙诞生、膨胀和冷却，一瞬间，时间之箭出现了，”卡罗尔说。“这一瞬间就是几万亿年。”
最棒的是，这种情况可以在时间的两个方向上发生，因为德西特空间可以产生许多时空气泡。任何一个气泡的时间箭头都只朝一个方向，但另一个气泡的时间箭头可能指向相反的方向。总的来说，时间对称性将得以保留。
任何给定泡沫中的居住者都会始终相信，形成泡沫的大爆炸发生在他们的过去。然而，从局外的超级观察者的角度来看，时间显然是双向流动的，正如物理定律所表明的那样。
“关键在于，整个多元宇宙在时间上是对称的，”卡罗尔说。
超越法律
他警告说，这个想法只是一个提议；严格的证明还有待宇宙学家在计算能力上取得长足进步。这只是众多将永恒的物理定律与时间的方向箭头相协调的想法之一。例如，麻省理工学院的物理学家 Lorenzo Maccone 指出，第二定律实际上允许时间的两个方向。但任何反向发生的事情都不会留下任何痕迹、记录甚至记忆。（如果你把鸡蛋打散，然后时间倒转，不仅鸡蛋会恢复原样，而且你大脑中的神经细胞会恢复到之前的状态，抹去你对最初打乱的了解。）所以，如果时间真的倒流，反正也没人会意识到，Maccone 在去年发表的一篇论文中提出物理评论快报。
然而，麦克科内承认，即使是这种方法，也无法解释为什么科学家们认为的过去的熵水平一开始比今天的熵水平低得多。
更复杂的是，解决热力学第二定律引起的时间之谜可能取决于第二定律本身的有效性。如果第二定律被证明是错误的，那么借助该定律来解释时间可能就不那么有效了。
人们普遍认为，怀疑第二定律是不可原谅的异端邪说，部分原因是英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士（顺便说一句，他创造了“时间之箭”一词）在一篇著名文章中宣称第二定律是绝对正确的。然而，近年来，第二定律受到了与医疗改革和亚利桑那州反移民立法一样强烈的挑战。
在他 2002 年出版的书中一种新科学例如，数学家斯蒂芬·沃尔夫勒姆引用了计算机模拟，他声称这些模拟证明第二定律完全错误。其他人则通过研究各种情况，尤其是量子效应发挥作用的情况，寻找第二定律的漏洞。
意大利物理学家 Germano D'Abramo 在最近一期的《物理快报 A。他写道，在此期间，已在参考文献中出现了 50 多篇此类论文。
但无论第二定律的最终命运如何，从表面上看，时间的导火索仍然朝着一个方向燃烧，科学家们仍在付出大量努力试图解释它。考虑到这么长时间以来一直没有一个万无一失的解决方案，时间方向之谜的某些部分似乎仍然缺失。这并不令人震惊。坦率地说，尽管经过了几十年的努力，物理学还是未能解释几个严重的谜团。
20 世纪，相对论和量子力学的伟大科学革命为人们揭示大自然错综复杂的内部运作打开了巨大的窗口。但许多最深奥的问题仍未得到解答。宇宙主要由什么组成？一种未知的物质加上一种同样神秘的能量形式，存在于所有空间中，密度难以解释。大尺度定律（基本上是引力）最终与微观世界的量子定律不相容吗？没有人愿意相信这一点，但将引力和量子物理结合起来的努力从未完全成功。
这些问题中酝酿着这样一种感觉：21 世纪将再次出现爱因斯坦式的革命——这只是时间问题。有些人认为，解开时间之箭的谜团可能需要（或促成）这样的革命。诺贝尔奖得主、伊利诺伊大学物理学家安东尼·莱格特 (Anthony Leggett) 就是其中之一，他在美国科学促进会会议上发言。
莱格特说：“如果我们在未来几十年内在物理学领域迎来一场真正重大的革命，堪比相对论或量子力学，那么这场革命的一个重要因素将是彻底改变我们对时间之箭的认识。”
